常 德，郭英華，劉長庭

中國人民解放軍總醫(yī)院南樓呼吸科，北京 100853

失重或模擬失重環(huán)境對腫瘤細胞影響的研究進展

常 德，郭英華，劉長庭

中國人民解放軍總醫(yī)院南樓呼吸科，北京 100853

失重環(huán)境是地面上一種不多見的現(xiàn)象，在失重條件下，細胞間及細胞內(nèi)部各結(jié)構(gòu)間的相互作用消失或減弱。利用失重模型研究腫瘤，觀察腫瘤細胞在失重環(huán)境中的生物學(xué)特性和分子表達，可以為解釋腫瘤發(fā)生、發(fā)展以及診斷和治療腫瘤開辟一條新途徑。

失重;模擬失重;腫瘤;轉(zhuǎn)移

腫瘤是指機體內(nèi)正常細胞在外界各種因素作用下，呈現(xiàn)出細胞過度增殖或異常分化而形成的異常新生物［1-2］。腫瘤細胞異常增生和轉(zhuǎn)移是腫瘤兩大特點，在正常情況下，機體內(nèi)細胞生長受到嚴格調(diào)控，而腫瘤細胞不受正常生長調(diào)控系統(tǒng)限制，能持續(xù)分裂與增殖，進而出現(xiàn)細胞排列紊亂，核漿比例失調(diào)或病理性核分裂相，最后形成異常新生物壓迫周圍器官或組織出現(xiàn)相應(yīng)的臨床癥狀［3］。腫瘤細胞的另一大特點是轉(zhuǎn)移，腫瘤轉(zhuǎn)移是一個多步驟、多階段的過程，腫瘤細胞需經(jīng)歷在原發(fā)部位的增生、新生血管的形成、黏附和侵入血管或淋巴管、進入體循環(huán)后在全身播散、最后在轉(zhuǎn)移器官內(nèi)穿出血管并生長形成轉(zhuǎn)移灶。該過程非常復(fù)雜和低效，腫瘤細胞需完成上述所有過程才能轉(zhuǎn)移［4］。正是由于腫瘤的這兩大主要特性使其成為威脅人類健康的頭號殺手。

失重是指零重力環(huán)境，多見于航天飛行中，也是太空環(huán)境一個主要特點。目前，隨著航天生命科學(xué)發(fā)展，有關(guān)失重或在地面模擬失重對細胞影響的研究也越來越多，其中包括失重或模擬失重對腫瘤細胞影響研究。正常生理狀態(tài)下，細胞與細胞間、細胞內(nèi)部各細胞器和結(jié)構(gòu)間都存在相互作用，而在失重環(huán)境下，這些相互作用消失，使細胞與細胞間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細胞內(nèi)部信號通路改變，從而引起細胞形態(tài)與結(jié)構(gòu)、基因表達水平的變化，最后導(dǎo)致細胞生物學(xué)功能改變［5］。本文總結(jié)了失重環(huán)境下腫瘤細胞形態(tài)學(xué)、生物學(xué)和基因表達水平變化的最新進展。

失重對腫瘤細胞形態(tài)的影響

細胞的形態(tài)是功能的基礎(chǔ)，腫瘤細胞的形態(tài)不規(guī)則，胞核大小不等，胞漿比例失調(diào)，常出現(xiàn)病理性核分裂相。在失重條件下，腫瘤細胞間及各細胞器間相互作用改變，使維持細胞結(jié)構(gòu)的骨架發(fā)生變化而表現(xiàn)出形態(tài)學(xué)改變。有研究表明，小鼠黑色素瘤細胞株B16經(jīng)過太空誘變后，表現(xiàn)出細胞骨架纖維增粗，細胞纖維蛋白組成的纖維變得扁平且走行迂曲，少數(shù)細胞出現(xiàn)洞孔樣結(jié)構(gòu)［6］。Vassy等［7-8］觀察到人類乳腺癌細胞系MCF-7經(jīng)過太空誘變后，細胞的有絲分裂相延長，多數(shù)細胞正處于分裂時相，并且細胞內(nèi)微管發(fā)生變化，染色質(zhì)和核周細胞角蛋白的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松弛。Ingram等［9］利用美國國家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration，NASA)的生物培養(yǎng)回旋器模擬失重條件，培養(yǎng)惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞系、前列腺癌細胞系、腦腫瘤細胞系、膀胱癌細胞系，觀察其形成的腫瘤多細胞球體的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)模擬失重能夠使腫瘤細胞形成復(fù)雜的表皮樣結(jié)構(gòu)，該研究認為模擬失重可用于模擬體內(nèi)環(huán)境而進行三維立體細胞培養(yǎng)。Infanger等［10］利用回旋器模擬失重條件培養(yǎng)乳頭狀甲狀腺癌ONCO-DG1細胞系，觀察細胞生長狀態(tài)和細胞骨架的變化，發(fā)現(xiàn)在微重力條件下甲狀腺癌腫瘤細胞呈球狀生長、細胞骨架松弛、微管網(wǎng)狀分布消失且向細胞核聚集、染色質(zhì)濃縮且輪廓不清。然而，Ivanova等［11］觀察微重力環(huán)境下的黑色素瘤細胞株的形態(tài)學(xué)變化，并利用顯微鏡持續(xù)監(jiān)測6 h，發(fā)現(xiàn)模擬微重力對腫瘤細胞形態(tài)學(xué)的影響不明顯，該研究認為可能是黑色素瘤細胞在模擬微重力環(huán)境下的培養(yǎng)時間過短，需要延長培養(yǎng)時間進而觀察。因此，腫瘤細胞在失重條件下形態(tài)學(xué)的變化尚無明確結(jié)論，需更進一步深入探索和分析。

失重對腫瘤細胞生長、細胞周期和凋亡的影響

失重環(huán)境對細胞生長、細胞周期和凋亡的影響有很多報道，大部分研究表明失重可抑制細胞生長和細胞周期、促進細胞凋亡［12-15］，而腫瘤細胞的重要特性包括細胞的異常增生、細胞周期失控和抗凋亡等。近年來，失重條件對腫瘤細胞上述特性的影響也有少量報道。唐勁天等［16］將小鼠黑色素瘤細胞B16搭載于返回式衛(wèi)星，發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞的生長速度減慢、細胞周期改變、處于S期及G2期細胞減少、G1期細胞明顯增多［16］。Vassy等［7-8］發(fā)現(xiàn)太空飛行后的乳腺癌 MCF-7細胞生長速度減慢，他們認為原因可能是失重條件下MCF-7細胞的微管發(fā)生變化，有絲分裂時間延長，從而導(dǎo)致細胞周期延長，最終抑制細胞分裂。Qian等［17］利用MG-6C回旋器模擬失重環(huán)境，觀察失重下MCF-7的生長速度、細胞周期和凋亡，結(jié)果表明利用CCK-8試劑盒檢測細胞增殖時，失重條件下MCF-7和對照組的差異不明顯;而利用細胞計數(shù)法檢測時發(fā)現(xiàn)模擬失重可減緩MCF-7細胞的增殖;流式細胞術(shù)結(jié)果顯示G2+期的細胞比例明顯增多，24 h和48 h時細胞凋亡的變化不明顯，72 h時細胞凋亡數(shù)量明顯增多。然而，Jessup等［18］利用不同的回旋速度模擬失重，發(fā)現(xiàn)在回旋速度較快的條件下培養(yǎng)人結(jié)腸癌細胞系，細胞凋亡增多，而緩慢的旋轉(zhuǎn)速度反而使其凋亡減少。因此，失重或模擬失重環(huán)境下，腫瘤細胞的生長、細胞周期和凋亡的變化研究需統(tǒng)一標準，并且可能不同的腫瘤細胞其研究結(jié)果也不相同。

失重對腫瘤細胞成瘤性和轉(zhuǎn)移性的影響

腫瘤細胞的成瘤性和轉(zhuǎn)移性是衡量腫瘤惡性程度的兩大重要生物學(xué)特征，惡性程度越高的細胞在小鼠體內(nèi)成瘤性和轉(zhuǎn)移性越強。失重對腫瘤細胞的上述特點，包括形態(tài)、生長、細胞周期等的影響，是腫瘤細胞成瘤性和轉(zhuǎn)移性改變的基礎(chǔ)。有研究報道，黑色素腫瘤細胞經(jīng)過太空誘變后，在小鼠體內(nèi)成瘤性明顯減弱，移植瘤內(nèi)形成的新生血管減少、癌旁浸潤也減少，但周圍的免疫細胞增多，研究認為可能是誘變后黑色素瘤細胞免疫原性增強，誘導(dǎo)了小鼠體內(nèi)的免疫應(yīng)答反應(yīng)，并認為可利用此特點研制腫瘤疫苗［19-20］。Qian等［17］觀察 MCF-7 細胞在失重環(huán)境中腫瘤細胞遷移和侵襲的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬失重使其遷移能力在48和72 h分別下降46.8%和75.7%，對其侵襲能力的抑制率在24、48和72 h分別為29.4%、66.7%和77.8%;同時該研究觀察基質(zhì)金屬蛋白酶2(matrix metalloproteinase-2，MMP2)的變化，即一種常用于衡量腫瘤細胞遷移和侵襲的標記物，發(fā)現(xiàn)模擬失重下MCF-7細胞內(nèi)MMP2的產(chǎn)生量明顯下降，因此認為模擬失重可以影響腫瘤細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移特性。Infanger等［10］以甲狀腺癌細胞株CGTH-W-1為研究對象，發(fā)現(xiàn)模擬失重環(huán)境下CGTH-W-1細胞內(nèi)骨橋蛋白基因 (osteopontin，OPN)的表達明顯下降，OPN是一種與腫瘤細胞的浸潤和轉(zhuǎn)移相關(guān)的蛋白，常用于判斷預(yù)后及監(jiān)測腫瘤復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移，因此該研究認為失重可減弱腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移能力。2011年Ivanova等［11］報道模擬失重可減弱黑色素瘤的轉(zhuǎn)移能力，發(fā)現(xiàn)模擬失重時惡性黑色素瘤細胞內(nèi)利鈉肽受體，即膜結(jié)合的苷酸環(huán)化酶A和B表達下降，而該利鈉肽受體同黑色素瘤惡性程度呈正相關(guān)?？傊?，失重環(huán)境對腫瘤細胞成瘤性和轉(zhuǎn)移性的影響，需要更多更深入的研究，尤其是建立動物模型來研究失重條件下腫瘤細胞在體內(nèi)成瘤性和轉(zhuǎn)移性的變化。

失重環(huán)境下腫瘤細胞基因表達水平的變化

細胞表型變化的過程中包含多種基因表達水平的變化，這些基因共同調(diào)節(jié)細胞的生物學(xué)特性。多項研究表明，細胞在失重或模擬失重條件下，大量的分子包括編碼序列或非編碼序列的表達發(fā)生變化［21-24］，有部分研究以腫瘤細胞為研究對象，比較在失重和正常重力條件下基因表達譜的差異。Khaoustov等［25］以肝癌細胞株HepG2為研究對象，對比在模擬失重培養(yǎng)和正常培養(yǎng)條件下基因表達譜的差異，發(fā)現(xiàn)95個基因的表達水平發(fā)生變化，其中85個基因高表達，10個基因低表達，這為研究失重環(huán)境中腫瘤細胞株的表型改變奠定了一定的分子基礎(chǔ)。在黑色素瘤細胞中，向青等［20］報道在2株經(jīng)過太空誘變后的B16細胞中，分別有145個基因和125個基因表達水平發(fā)生變化，共同變化的基因有9個，其中前列腺素D2合成酶的表達均明顯增高，該研究認為太空誘變后的腫瘤新生血管及癌旁浸潤減少可能與這些基因有關(guān)。Lewis等［26］利用基因芯片比較太空飛行和地面對照白血病細胞的基因表達，發(fā)現(xiàn)約98%的基因表達差異不明顯，表達水平發(fā)生變化的基因包括細胞骨架相關(guān)基因、細胞代謝基因、凋亡基因、細胞周期相關(guān)基因、細胞黏附基因和抑癌基因等，其中太空誘變后的白血病細胞中Tsc2基因表達水平是地面對照的11.7倍。Ulbrich等［27］采用基因芯片檢測濾泡狀甲狀腺腫瘤細胞在不同重力下基因表達的差異，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷22 s微重力后，ACTB和KRT80表達水平明顯升高，COL4A5表達降低，而在超重力環(huán)境中上述基因表達水平變化不明顯。

綜上，隨著人們對腫瘤發(fā)生、發(fā)展的研究越來越多，新的診斷、治療和預(yù)防技術(shù)不斷涌現(xiàn);然而，腫瘤的發(fā)生率和病死率并未得到根本改善，已嚴重危害了人類健康。惡性腫瘤的最主要兩大特征是腫瘤細胞無限制的生長和轉(zhuǎn)移，從這兩個方面著手研究腫瘤的致病機制可能是解決腫瘤的切入點。大部分體外研究都證實，失重或模擬失重可減慢細胞的生長速度和細胞的運動能力，改變腫瘤細胞的形態(tài)，影響細胞的凋亡、細胞周期，抑制腫瘤細胞的致瘤性、增殖和轉(zhuǎn)移。因此，利用失重模型來研究癌癥，一方面可以為癌癥基礎(chǔ)研究奠定基礎(chǔ)，尤其是其發(fā)生和轉(zhuǎn)移的機制;另一方面基于失重對腫瘤細胞生長和遷移的抑制作用，將來可作為治療癌癥的一種新手段。此外，失重可增強腫瘤細胞的免疫原性，啟動機體的免疫系統(tǒng)，監(jiān)視腫瘤細胞的生長，從而減弱腫瘤細胞在體內(nèi)的致瘤性，利用該特性可為腫瘤疫苗的研制提供一條新的途徑。然而，目前有關(guān)失重對腫瘤細胞的影響研究報道較少，并且?guī)缀跛醒芯慷季窒抻诩毎?，利用體內(nèi)實驗研究失重對腫瘤動物模型的影響尚未見報道。由于體外的細胞水平不能從根本上反應(yīng)體內(nèi)情況，為深入研究失重或模擬失重對腫瘤細胞的影響研究，觀察腫瘤動物模型在失重環(huán)境中的變化是一個必不可少的方面。此外，隨著中國航天技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是神舟飛船的升空和空間站的建立也為研究腫瘤細胞在失重環(huán)境中的變化提供了良好的平臺，借此可以開發(fā)和利用太空資源研究腫瘤?？傊?，失重或模擬失重是一種特殊的物理現(xiàn)象，其對腫瘤細胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的影響還處于初步階段，尤其是對動物體內(nèi)腫瘤模型的影響研究尚未開始，利用失重模型探討腫瘤各種生物學(xué)或分子生物學(xué)特性的變化可作為研究腫瘤的一種新方法，但具體的分析還需進一步研究。

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Research Advance in Effects of Weightlessness or Simulated Weightlessness on Tumor Cells

CHANG De，GUO Ying-hua，LIU Chang-ting

Nanlou Respiratory Diseases Department，Chinese PLA General Hospital，Beijing 100853，China

LIU Chang-ting Tel:010-66876272，E-mail:liuchangt@gmail.com

Weightless environment is a rare phenomenon on the ground where the interactions among cells and internal cellular structures disappear or become weakened.Studies on the biological features and molecular expression of tumors cells in weightlessness condition may provide new clues to the tumor initiation，process，diagnosis，and therapy.

weightlessness;simulated weightlessness;tumor;metastasis

Acta Acad Med Sin，2012，34(4):422-425

劉長庭 電話:010-66876272，電子郵件:liuchangt@gmail.com

R73

A

1000-503X(2012)04-0422-04

10.3881/j.issn.1000-503X.2012.04.022

武器裝備預(yù)研基金 (9140A26040312JB1001)、航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用國家重點實驗室開放基金 (SMFA11K02)和中國博士后科學(xué)基金(201104776)Supported by the Key Pre-Research Foundation of Military Equipment of China(9140A26040312JB1001)，the Opening Foundation of the State Key Laboratory of Space Medicine Fundamentals and Application，Chinese Astronaut Research and Training Center(SMFA11K02)，and by the Special Financial Grant from the China Postdoctoral Science Foundation(201104776)

2011-12-27)

·論 著·