乳腺癌是由正常乳腺上皮細胞不斷惡性轉(zhuǎn)變而成,且極易發(fā)生轉(zhuǎn)移,近年來我國乳腺癌發(fā)病率逐漸上升,現(xiàn)已成為中國女性惡性腫瘤排名第1位,歐美女性惡性腫瘤死亡率排名第2位[1]。腫瘤相關(guān)基質(zhì),即腫瘤微環(huán)境,促使生長因子不斷沉積,細胞因子和機制重塑蛋白不斷聚集,致使腫瘤像一個“永遠不會愈合的傷口”[1]。腫瘤微環(huán)境是由腫瘤上皮細胞、間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cell,MSC)、脂肪細胞、腫瘤相關(guān)成纖維細胞、內(nèi)皮細胞、外膜細胞、免疫細胞(T細胞、巨噬細胞)、細胞外基質(zhì)等及多種細胞因子和生長因子交叉形成的一個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]。其中非常重要的一員便是MSC,MSC傾向定居于人類各種組織的血管周圍,盡管根據(jù)干細胞的來源不同會有部分功能的差異,可這種異種MSC卻依然擁有許多共性,例如細胞表面標記的表達、持續(xù)增殖能力和可以區(qū)分中胚層來源的某些細胞表型[3-4]。MSC還可以調(diào)整干細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)、調(diào)整免疫細胞功能、支持血管形成以及向損壞或者受傷組織遷移從而促進修復(fù)[4-5]。由于干細胞這種多功能可塑性,被譽為細胞全面的支持者,其中十分重要一點就是干細胞對細胞外和細胞內(nèi)信號的高度敏感性[6-7]。由于細胞內(nèi)一些microRNA的表達水平可以促進MSC激活和敏感狀態(tài)的改變,MSC的多樣性功能可以通過微環(huán)境的改變而發(fā)生變化,例如改變細胞因子(趨化因子)的閾值濃度從而改變MSC的黏附能力和細胞外基質(zhì)的構(gòu)成,或者直接通過細胞與細胞間的相互作用發(fā)生改變[5,8-10]。本研究試圖通過構(gòu)建MSC與乳腺癌細胞共培養(yǎng)模型,研究MSC對乳腺癌細胞生長作用影響,進一步探討MSC在乳腺癌的發(fā)生發(fā)展過程中的作用。
1.試劑和儀器:人類MDA-MB-231、MCF-7乳腺癌細胞(#HTB-26,美國ATCC);MSC培養(yǎng)液αMEM(德國Invitrogen GmbH公司);人類AB型血清(德國Prof.R.Jacobs 饋贈);Leibovitz's培養(yǎng)基、二甲基亞砜(德國Sigma-Alorich公司);盤尼西林、鏈霉素、L-谷氨酸鹽、胰蛋白酶(trypsin/EDTA)、胎牛血清(德國Biochrom GmbH公司);MSC細胞消化液accutase(德國PAA Laboratories GmbH公司);24孔板、6孔板、96孔板、培養(yǎng)皿58 cm2(直徑 10 cm,德國Greiner BioOne GmbH公司);CyStain DNA 2 step kit試劑盒、流式細胞儀Galaxy flow cytometer(德國Partec GmbH公司);抗體:PE-標記單克隆 mouse anti-human CD73(clone AD2)(美國BD Bioscience GmbH公司);PE-標記monoclonal mouse antihuman CD105 antibody(clone 43A3)、PE-標記單克隆抗體CD90(clone 5E10)(德國BioLegend via Biozol GmbH公司);陰性對照抗體選擇PE-標記mouse IgG1 antibody(德國Dako Cytomation公司);離心機Centrifuge 5810 R、離心機Centrifuge 5415 D(美國Eppendorf Thermo Scientific公司);Fluoroskan Ascent FL、Multiskan EX(美國LabsystemsThermo公司);熒光顯微鏡(日本Olympus IX50公司)。
1.MSC提取與培養(yǎng):經(jīng)產(chǎn)婦同意,取同濟大學(xué)附屬同濟醫(yī)院婦產(chǎn)科多名足月順產(chǎn)分娩后臍帶[11]。本研究經(jīng)同濟大學(xué)附屬同濟醫(yī)院倫理委員會批準。用磷酸鹽緩沖生理鹽水(phosphate-buffered saline,PBS)洗去血細胞,將臍帶切成約0.5 cm3大小細塊,放入αMEM培養(yǎng)液中,并補充15﹪同種異體AB型血清[12]、100 U/mL盤尼西林、100 μg/mL鏈霉素和2 mmol/L L-谷氨酸鹽,在5﹪CO237℃溫度下培養(yǎng)。經(jīng)約10 d體外培養(yǎng)后去除臍帶組織細塊,用細胞消化液accutase 37℃消化貼壁生長細胞3 min,收集到的細胞懸液320×g離心5 min,倒掉上清液,細胞用MSC培養(yǎng)液(αMEM+10﹪人血清+100 U/mL盤尼西林+100 μg/mL鏈霉素+2 mmol/L L-谷氨酸鹽)懸浮,然后繼續(xù)傳代培養(yǎng)。對所獲得的MSC依次編號。
2.乳腺癌細胞的培養(yǎng):乳腺癌細胞通過在短串聯(lián)重復(fù)序列基礎(chǔ)上由Schleswig-Holstein大學(xué)醫(yī)院醫(yī)學(xué)法律機構(gòu)授權(quán)認證。MDA-MB-231最初以1 500個/cm2在Leibovitz's培養(yǎng)基(加10﹪胎牛血清,2 mmol/LL-谷氨酸鹽,1 mmol/L盤尼西林/鏈霉素)中培養(yǎng)。用于建立共培養(yǎng)模型的MDA-MB-231提前適應(yīng)MSC培養(yǎng)液生長。MCF-7在Dulbecco's modified Eagle's培養(yǎng)基中培養(yǎng),附加10﹪胎牛血清,2 mmol/L L-谷氨酸鹽,100 U/mL盤尼西林,100 μg/mL鏈霉素。以單獨培養(yǎng)的乳腺癌細胞MDA-MB-231和MCF-7分別設(shè)立對照,2種乳腺癌細胞分別與MSC共培養(yǎng)。
3.細胞轉(zhuǎn)染:用含eGFP綠色熒光蛋白基因的第三代自身失活慢病毒載體標記MSC、用含mCherrye紅色熒光蛋白基因的第三代自身失活慢病毒載體轉(zhuǎn)染乳腺癌細胞MDA-MB-231及MCF-7。用編碼GFP 或紅色熒光蛋白mCherry,其啟動子是SFFVU3第三代慢病毒(pRRL.PPT.SF.GFPpre或者pRRL.PPT.SF.Cherrypre)與表達HIV-1 gag/pol、RSV-Rev和VSVG 質(zhì)粒一起共轉(zhuǎn)染。轉(zhuǎn)染后的慢病毒載體于48~72 h收集,-80℃儲存。將預(yù)轉(zhuǎn)染細胞平鋪在6孔板并給予細胞培養(yǎng)液,將之前準備的慢病毒載體放進培養(yǎng)液進行轉(zhuǎn)染,在硫酸魚精蛋白存在下,感染復(fù)數(shù)MOI = 5,4℃條件下2 000×g離心30 min。在37℃,5﹪CO2濕度環(huán)境培養(yǎng)24 h。將含有慢病毒載體的培養(yǎng)基換掉,轉(zhuǎn)染好的細胞則繼續(xù)傳代培養(yǎng),在顯微鏡下觀察細胞轉(zhuǎn)染率。
4.細胞周期檢測:收集5×105個細胞,用70﹪冰乙醇固定,4℃儲存24 h;再用CyStain DNA 2 step kit試劑盒給細胞核染色:PBS洗滌細胞1次,取出固定液乙醇。4℃條件下320×g離心6 min;用試劑盒自帶Extraction Buffer 室溫處理細胞15 min。計量根據(jù)試劑盒提示選取。用試劑盒自帶Staining Buffer染色。用50 μm 過濾孔過濾細胞液。軟件MultiCycle cell cycle software(Phoenix Flow Systems,Inc.,San Diego,CA)進行細胞周期檢測。
5.選擇MSC與乳腺癌細胞共培養(yǎng)合適細胞比例:探尋共培養(yǎng)合適的細胞比例,以6.25×102,1.25×103,2.5×103,5×103個MSC 鋪在6孔板里培養(yǎng)3 d。例如以90﹪MDA-MB-231GFP、80﹪ MDAMB-231GFP、60﹪ MDA-MB-231GFP、40﹪ MDAMB-231GFP按不同比例加入相應(yīng)MSC中進行共培養(yǎng)4 d。共培養(yǎng)在MSC培養(yǎng)液中,以MDA-MB-231培養(yǎng)液作為對照組。同理分析MCF-7細胞共培養(yǎng)。Fluoroscan法選擇最合適的細胞比例建立共培養(yǎng)模型。
6.建立MSC與乳腺癌MDA-MB-231細胞共培養(yǎng)模型:基于已獲得的合適比例以60﹪ MSCGFP和40﹪ MDA-MB-231Cherry,80﹪ MSCGFP和20﹪MCF-7Cherry分別加入10 mL MSC培養(yǎng)液58 cm2底面積培養(yǎng)皿中進行為期約11 d共培養(yǎng)。細胞密度500個/cm2。由于MCF-7與MDA-MB-231不同種乳腺癌生長速度差異,MSCGFP/MCF-7Cherry共培養(yǎng)取第5,7,9天結(jié)果,MSCGFP/MDA-MB-231Cherry取共培養(yǎng)第3,5,7天結(jié)果。同時建立單獨培養(yǎng)對照,MSCGFP、MDA-MB-231Cherry、MCF-7Cherry。另一組對照組同上,用于檢測細胞周期。同樣的共培養(yǎng)模型建立在96孔板里,F(xiàn)luoroscan法檢測共培養(yǎng)中腫瘤細胞和MSC增殖情況。同樣的共培養(yǎng)模型建立在24孔板里,用細胞計數(shù)法檢測共培養(yǎng)中腫瘤細胞和干細胞增殖情況。觀察并記錄共培養(yǎng)模型中細胞生長狀態(tài),用含單色熒光過濾器和FITC/TRIC雙重?zé)晒膺^濾器顯微鏡觀察和記錄細胞間相互作用過程。
7.熒光細胞計數(shù)法檢測細胞增殖能力:計數(shù)細胞,鋪板,間隔24 h 計數(shù)細胞,胰酶消化細胞,臺盼藍染色細胞,細胞計數(shù)板記錄細胞數(shù)目??稍跓晒怙@微鏡下記錄綠色和紅色熒光蛋白染色后細胞數(shù)。
8.流式細胞術(shù)檢測細胞表型:收集實驗細胞,37℃,MSC經(jīng)特定消化酶accutase 消化3 min,腫瘤細胞經(jīng)胰酶消化5 min,相應(yīng)培養(yǎng)液終止消化。冰PBS洗滌細胞2次,320×g離心6 min。2﹪ FCS室溫處理細胞15 min,阻斷抗體和細胞表面或胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的非特異性交互作用。冰PBS洗滌細胞2次,320×g離心6 min??贵w與細胞結(jié)合4℃避光孵育30 min;PE-標記單克隆抗體CD90,陰性對照抗體選擇PE-標記 mouse IgG1 antibody;用冰PBS洗滌細胞,50 μm 過濾器過濾細胞。采用流式細胞儀,軟件Flomax software(Partec GmbH)開始檢測。每次設(shè)定1次測量10 000個細胞。設(shè)定適當(dāng)前向角散射光(forward scatter,FSC)和側(cè)向角散射(side scatter,SSC),找到合適的熒光通道設(shè)置。若需要檢測細胞表面抗體的同時觀察細胞周期,可以在上一步PBS洗滌細胞后用CyStain DNA 2 step試劑盒中細胞核染劑給細胞上色,約1×105個/mL細胞,直接檢測。
9.化療藥物測試:經(jīng)過MDA-MB-231Cherry和MSCGFP共培養(yǎng)后選擇可以同時顯影綠色熒光和紅色熒光的hybrids1和hybrids2融合細胞,用1 mmol/L、100 nmol/L和10 nmol/L化療藥物Topotecan、MTX及Epirubicin,觀察24、48、72 h 作用效果,hybrids1和hybirds2分別與單獨培養(yǎng)的MDA-MB-231比較,以加培養(yǎng)液為空白對照組,實驗組為不同濃度的化療藥物組,用Fluoroscan法檢測比較共培養(yǎng)后獲得的hybrids細胞相對于單獨培養(yǎng)的MDA-MB-231 腫瘤細胞增殖能力差異。
采用SPSS17.0 軟件進行統(tǒng)計分析,細胞增殖能力及細胞周期比例均以±s表示。兩組間比較采用獨立樣本t檢驗,多組間比較采用單因素方差分析,多重比較采用Dunnet-t檢驗,以P< 0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
轉(zhuǎn)染前后MSC、乳腺癌細胞MDA-MB-231和MCF-7細胞形態(tài)沒有變化,轉(zhuǎn)染前后細胞周期一致(圖1~2)。
圖2 流式細胞儀檢測轉(zhuǎn)染前后MSC、乳腺癌細胞MDA-MB-231及MCF-7細胞周期(DAPI染色)
1.干細胞與腫瘤細胞共培養(yǎng)形成腫瘤島:從共培養(yǎng)第5天開始,細胞不斷形成腫瘤島,稱作腫瘤集落。熒光顯微鏡下觀察MCF-7Cherry和MSCGFP及MDA-MB-231Cherry和MSCGFP共培養(yǎng)模型,發(fā)現(xiàn)紅色熒光標記的腫瘤細胞呈腫瘤島生長,綠色熒光標記的干細胞環(huán)繞腫瘤島生長(圖3~4)。
2.腫瘤細胞與干細胞共培養(yǎng)生成hybirds細胞:在腫瘤細胞與干細胞共培養(yǎng)過程中,發(fā)現(xiàn)一小部分細胞可以同時顯影干細胞的GFP 綠色熒光和腫瘤細胞的cherry 紅色熒光,即白色箭頭標出hybrids細胞,圖5可以發(fā)現(xiàn)hybrids細胞是可以同時顯影Cherry和GFP的融合細胞,即一種FITC/TRIC雙重?zé)晒膺^濾器顯微鏡下同時發(fā)綠色及紅色熒光的混雜細胞,呈黃色,條狀長度表示200 μm,細胞共培養(yǎng)促進腫瘤細胞生長(圖5)。
3.腫瘤細胞與干細胞相互作用過程中外泌體分泌情況:用400倍放大鏡觀察在腫瘤細胞MDAMB-231Cherry+MSCGFP共培養(yǎng)過程中MSC 外泌體分泌情況,圖6中白色箭頭標記出顯影綠色熒光的MSC 外泌體,這些外泌體攜帶某些MSC細胞信號與腫瘤細胞進行信息交換。
與單獨MDA-MB-231Cherry培養(yǎng)組比較,共培養(yǎng)組從培養(yǎng)3~9 d細胞增殖能力升高,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P< 0.05,表1)。與單獨MCF-7Cherry培養(yǎng)組比較,共培養(yǎng)組從培養(yǎng)4~8 d細胞增殖能力升高,第4~6天差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P< 0.05,表2)。
FACS檢測MSC及MCF-7在共培養(yǎng)過程中干細胞表面特有標記物CD90的表達情況,MCF-7在共培養(yǎng)中細胞占比逐漸升高,至共培養(yǎng)第10天共培養(yǎng)中59.87﹪是MCF-7,MSC從最初的80﹪下降至共培養(yǎng)第10天的40.13﹪;共培養(yǎng)中MCF-7CherryG0/G1期細胞周期比例逐漸升高,從20﹪MCF-7Cherry+80﹪MSCGFP開始共培養(yǎng),MCF-7 受到MSC促進生長影響,然而MSC G0/G1期細胞周期比例逐漸下降(圖7a),此處細胞周期比例均指G0/G1期細胞周期。MDA-MB-231與MSC共培養(yǎng)時MDAMB-231 G0/G1期細胞比例逐漸升高,MSC G0/G1期比例逐漸降低。至共培養(yǎng)第10天54.64﹪是MDAMB-231,而MSC從最初的60﹪下降到共培養(yǎng)第10天的45.36﹪。(圖7b)
圖3 熒光顯微鏡下觀察乳腺癌細胞MCF-7+MSC形態(tài)(熒光蛋白染色,×100)
圖4 熒光顯微鏡下觀察乳腺癌細胞MDA-MB-231+MSC形態(tài)(熒光蛋白染色,×100)
圖5 熒光顯微鏡下觀察MCF-7Cherry和MSCGFP,MDA-MB-231Cherry和MSCGFP共培養(yǎng)模型細胞形態(tài)(熒光蛋白染色,×200)
圖6 熒光顯微鏡下觀察MDA-MB-231Cherry+MSCGFP共培養(yǎng)狀態(tài)下MSC 內(nèi)外泌體分泌情況(熒光蛋白染色,×400)
化療藥物作用hybrids融合細胞,即圖5中同時顯示Cherry和GFP熒光顯影的hybrids細胞,經(jīng)過細胞流式分選技術(shù)分選出2種hybrids[13,17],命名為hybrids1和hybrids2。進一步深入研究hybrids細胞,用不同的化療藥物作用,分別為Topotecan、MTX及Epirubicin,不同的藥物濃度,即1 mmol/L、100 nmol/L和10 nmol/L,觀察24、48、72 h作用效果,與單獨培養(yǎng)的MDA-MB-231比較,hybirds細胞生長比例降低(P<0.05)。hybirds細胞作用24、48、72 h后生長受限,化療藥物濃度越高,細胞生長受限越明顯(圖8)。
圖7 FACS分析細胞周期比例變化
目前干細胞對于體外實驗、臨床研究及臨床治療是相對寶貴的資源,由于干細胞經(jīng)過多次反復(fù)體外傳代培養(yǎng)后會出現(xiàn)細胞老化、細胞凋亡,喪失細胞分化能里,所以原代培養(yǎng)的干細胞尤其珍貴,干細胞幾乎在人體各種組織中都存在,而本實驗成功從新生兒臍帶中分離MSC 并進行體外培養(yǎng),臍帶相對而言更容易獲取并且更加無創(chuàng),本實驗通過自身滅活慢病毒載體將攜帶GFP 綠色和Cherry 紅色熒光蛋白基因轉(zhuǎn)染到人類MSC和腫瘤細胞中,轉(zhuǎn)染細胞幾乎完全表達熒光蛋白,即形成后續(xù)實驗熒光細胞MSCGFP、MCF-7Cherry和MDA-MB-231Cherry。有許多研究MSC和乳腺癌細胞之間相互作用,結(jié)果卻存在爭議。比如骨髓來源干細胞在與乳腺癌的3D共培養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)明顯促進腫瘤細胞的生長[14]。相反,干細胞的細胞溶解物或者培養(yǎng)液卻抑制許多腫瘤細胞的生長,包括乳腺癌細胞[15-16]。
表1 MDA-MB-231與MSC共培養(yǎng)與單獨培養(yǎng)組間細胞增殖能力變化(×103個,±s,n= 4)
表1 MDA-MB-231與MSC共培養(yǎng)與單獨培養(yǎng)組間細胞增殖能力變化(×103個,±s,n= 4)
注:n為實驗重復(fù)次數(shù)
分組培養(yǎng)后天數(shù)(d)2 3 4 5 6 7 8 9 MDA-MB-231 單獨培養(yǎng) 1.00±0.00 1.63±0.41 2.38±0.41 4.38±1.08 6.88±2.07 26.25±4.15 45.00±10.60 123.13±13.85 MDA-MB-231與MSC共培養(yǎng) 1.13±0.22 5.50±0.71 7.13±1.14 23.13±3.25 61.25±4.14 81.25±7.40 122.50±23.58 195.63±23.34 t值-1.000-8.188-6.789-9.487-20.319-11.237-5.191-4.626 P值 0.356 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001 0.002 0.004
表2 MCF-7與MSC共培養(yǎng)與單獨培養(yǎng)組間增殖能力變化(×103個,±s,n= 4)
表2 MCF-7與MSC共培養(yǎng)與單獨培養(yǎng)組間增殖能力變化(×103個,±s,n= 4)
注:n為實驗重復(fù)次數(shù)
分組培養(yǎng)后天數(shù)(d)2 3 4 5 6 7 8 9 MCF-7 單獨培養(yǎng) 2.25±0.43 2.50±0.87 3.63±0.65 11.50±1.12 12.75±1.68 21.75±2.31 73.50±1.06 118.88±10.30 MCF-7與MSC共培養(yǎng) 1.00±0.71 2.50±0.87 5.00±0.71 13.75±0.83 17.88±1.85 23.06±3.80 76.88±5.45 88.50±8.62 t值 2.611 0.000-2.480-2.800-3.555-0.511-1.053 3.917 P值 0.040 1.000 0.048 0.031 0.012 0.628 0.333 0.008
圖8 MDA-MB-231與MSC共培養(yǎng)后生成的hybrids融合細胞對不同化療藥物不同濃度作用24、48、72 h的反應(yīng)效果
本實驗中通過建立腫瘤細胞和MSC的共培養(yǎng)模型,分別與單獨培養(yǎng)的腫瘤細胞對比,共培養(yǎng)組中的腫瘤細胞生長增快,說明MSC在共培養(yǎng)時促進了腫瘤細胞的增生;同時應(yīng)用流式細胞術(shù)檢測原本不表達干細胞特有細胞表面標記物CD90的腫瘤細胞,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過與MSC共培養(yǎng)一段時間后有一定程度的CD90在腫瘤細胞上發(fā)生表達,說明通過與干細胞的相互作用后腫瘤細胞發(fā)生相應(yīng)的改變,而相互作用的方式可以包括直接接觸、各種信號通路、外泌體交換等等方式從而使部分腫瘤細胞表達MSC特有的細胞表面標記物。
熒光顯微鏡下觀察共培養(yǎng)模型發(fā)現(xiàn)紅色熒光標記的腫瘤細胞呈腫瘤島生長,綠色熒光標記的干細胞環(huán)繞腫瘤島生長,并且某些干細胞發(fā)生細胞體拉長的現(xiàn)象,此外,通過FITC/TRIC雙重?zé)晒膺^濾器顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)有一種細胞同時表達干細胞的綠色熒光和腫瘤細胞的紅色熒光,命名為hybrids融合細胞[17]。與前期研究結(jié)果相符,至于這種細胞的形成機制并不十分清楚,有可能是干細胞在與腫瘤細胞相互吸引相互作用的過程中發(fā)生2個細胞膜、細胞質(zhì)和細胞核的相互融合,從而產(chǎn)生的一種新型混雜細胞;亦有可能只是2個細胞發(fā)生完全重疊而形成,也有可能是腫瘤干細胞。而本實驗用不同的腫瘤化療藥物,例如目前臨床常用的化療藥物Epirubicin、Topotecan及MTX,采用不同的藥物濃度作用后圖9結(jié)果發(fā)現(xiàn)化療藥物對融合細胞hybrids的殺傷作用都較單獨培養(yǎng)的乳腺癌細胞作用明顯,用72 h的細胞抑制作用明顯更甚于24 h的化療藥物作用,即說明不同化療藥物對hybrids細胞更敏感,這一點在Otte 發(fā)表的化療藥物對與卵巢癌細胞抑制作用的結(jié)果中也得到部分體現(xiàn)[17],而為何hybrids對于化療藥物會更敏感的機制研究也值得后續(xù)深入進行。
綜上所述,MSC在腫瘤微環(huán)境中促進乳腺癌細胞的生長,而針對干細胞促進腫瘤細胞生長的通路采用抑制其生長的方法可能會有效抑制腫瘤細胞的體內(nèi)生長和轉(zhuǎn)移,而針對hybrids細胞的化療藥物治療亦有可能推進臨床乳腺癌的化療藥物治療發(fā)展,這無疑是現(xiàn)代臨床腫瘤疾病的新藥物治療的有效途徑。