肿瘤转移芯片揭示肥胖加速癌症恶化的“元凶”

尽管研究发现肥胖是癌症的一种风险因素，脂肪细胞来源的代谢物加速癌症恶化的机制尚未被阐明。在肿瘤微环境所有类型的基底细胞中，癌症相关脂肪细胞（cancer-associatedadipocytes, CAAs）被认为与癌症的发展关系密切。与正常脂肪细胞不同，CAAs会分泌大量促炎因子及脂肪因子，促进基质重构、肿瘤侵袭、上皮-间充质样转化（EMT）以及肿瘤细胞增殖。然而现有的研究多是采用2D细胞培养模型，癌细胞无法通过微环境与脂肪细胞建立联系。

鉴于此，首尔国立大学医学院的Jieun Seo团队基于透氧的聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料构建了肿瘤细胞与基底细胞的的三维细胞共培养系统，用以研究微环境中CAAs来源的脂质是如何诱导临近的肿瘤细胞发生恶化的。

研究者在透氧PDMS芯片中制备约1700个微孔。为了研究脂肪细胞对邻近癌细胞的影响，研究者将癌细胞与人脂肪干细胞(ADSCs)以10:1或5:1的比例混合，接种至芯片微孔中。细胞接种后癌细胞和ADSCs立即聚集成球，期间监测聚集体。结果表明，PDMS芯片可用于3D异型细胞培养。

图1|PDMS芯片培养模拟肿瘤细胞-脂肪细胞相互作用

为了研究在PDMS芯片上共培养过程中癌细胞的迁移是否与ADSCs的分泌因子有关，当球状体在正常的3D培养基中生长至第3天时，研究者用脂肪细胞条件培养基(CM)进行处理。与仅含有癌细胞的球状体（Control）相比，癌细胞与ADSC以10:1的比例混合后的球状体CM（10:1）圆度降低，迁移细胞的数量和迁移面积显著升高。随后，研究者使用由活性炭处理的CM或者不含脂质的条件培养基 (LM)进行补充试验，证明了球状体的球体圆度损失与脂质密切相关，并且是癌症相关脂肪细胞（CAAs）分泌的脂质促进癌细胞发生迁移。

图2|CAAs衍生的脂质介导肿瘤细胞发生3D迁移

低氧诱导因子（HIF-1α）)是肿瘤进展和转移的关键转录因子，与对照组相比，CM（10:1）处理的癌细胞表现出更高的HIF-1α蛋白水平。由于活性炭的吸附作用，CAAs通过衍生的脂质增强肿瘤HIF-1α从而促进癌细胞迁移的作用被抑制，在LM处理后又被逆转。此外在通过si–HIF–1α沉默处理的癌细胞所形成的肿瘤聚集体中，CM（10:1）的促迁移作用也被抑制。

图3|癌细胞中HIF-1α的激活与CAAs触发的癌细胞迁移具有相关性

在2D Transwell试验中，用来自癌细胞-ADSC共培养的CM处理肿瘤聚集物时，与细胞紧密连接相关的E-钙黏蛋白和ZO-1的蛋白表达水平降低，与肿瘤转移相关ZEB1、SLUG和β-连环蛋白的蛋白水平显著增加；而在si-HIF-1α处理后的肿瘤球体中这些效应被逆转。研究者生成了稳定表达荧光素酶的人结直肠癌细胞（WiDr），通过监测WiDr-Luc细胞发出的生物荧光来追踪结肠肿瘤的转移生长，证明了CAAs衍生脂质通过诱导产生HIF-1α参与了体内肿瘤的转移。

图4|CAAs在体内通过衍生脂质/HIF-1α轴触发肿瘤转移

在本研究中，JieunSeo团队利用了异种细胞之间的自发且快速的聚集性质，构建了体外研究肿瘤细胞与微环境中脂肪细胞相互作用的TME模型，并揭示了脂质/HIF-1α轴可能是改善肥胖相关癌症进展的潜在靶点。此外，这一新的肿瘤芯片也可用于更深入的病理机制探索和药效的筛选。

参考文献: Seo J, Kim K S, Park J W, et al. Metastasis-on-a-chip reveals adipocyte-derived lipids trigger cancer cell migration via HIF-1α activation in cancer cells[J]. Biomaterials, 2021, 269: 120622.

10.1016/j.biomaterials.2020.120622
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