失重或模拟失重环境对肿瘤细胞影响的研究进展

常 德，郭英华，刘长庭

中国人民解放军总医院南楼呼吸科，北京 100853

失重或模拟失重环境对肿瘤细胞影响的研究进展

常 德，郭英华，刘长庭

中国人民解放军总医院南楼呼吸科，北京 100853

失重环境是地面上一种不多见的现象，在失重条件下，细胞间及细胞内部各结构间的相互作用消失或减弱。利用失重模型研究肿瘤，观察肿瘤细胞在失重环境中的生物学特性和分子表达，可以为解释肿瘤发生、发展以及诊断和治疗肿瘤开辟一条新途径。

失重;模拟失重;肿瘤;转移

肿瘤是指机体内正常细胞在外界各种因素作用下，呈现出细胞过度增殖或异常分化而形成的异常新生物［1-2］。肿瘤细胞异常增生和转移是肿瘤两大特点，在正常情况下，机体内细胞生长受到严格调控，而肿瘤细胞不受正常生长调控系统限制，能持续分裂与增殖，进而出现细胞排列紊乱，核浆比例失调或病理性核分裂相，最后形成异常新生物压迫周围器官或组织出现相应的临床症状［3］。肿瘤细胞的另一大特点是转移，肿瘤转移是一个多步骤、多阶段的过程，肿瘤细胞需经历在原发部位的增生、新生血管的形成、黏附和侵入血管或淋巴管、进入体循环后在全身播散、最后在转移器官内穿出血管并生长形成转移灶。该过程非常复杂和低效，肿瘤细胞需完成上述所有过程才能转移［4］。正是由于肿瘤的这两大主要特性使其成为威胁人类健康的头号杀手。

失重是指零重力环境，多见于航天飞行中，也是太空环境一个主要特点。目前，随着航天生命科学发展，有关失重或在地面模拟失重对细胞影响的研究也越来越多，其中包括失重或模拟失重对肿瘤细胞影响研究。正常生理状态下，细胞与细胞间、细胞内部各细胞器和结构间都存在相互作用，而在失重环境下，这些相互作用消失，使细胞与细胞间的信号转导和细胞内部信号通路改变，从而引起细胞形态与结构、基因表达水平的变化，最后导致细胞生物学功能改变［5］。本文总结了失重环境下肿瘤细胞形态学、生物学和基因表达水平变化的最新进展。

失重对肿瘤细胞形态的影响

细胞的形态是功能的基础，肿瘤细胞的形态不规则，胞核大小不等，胞浆比例失调，常出现病理性核分裂相。在失重条件下，肿瘤细胞间及各细胞器间相互作用改变，使维持细胞结构的骨架发生变化而表现出形态学改变。有研究表明，小鼠黑色素瘤细胞株B16经过太空诱变后，表现出细胞骨架纤维增粗，细胞纤维蛋白组成的纤维变得扁平且走行迂曲，少数细胞出现洞孔样结构［6］。Vassy等［7-8］观察到人类乳腺癌细胞系MCF-7经过太空诱变后，细胞的有丝分裂相延长，多数细胞正处于分裂时相，并且细胞内微管发生变化，染色质和核周细胞角蛋白的网状结构松弛。Ingram等［9］利用美国国家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration，NASA)的生物培养回旋器模拟失重条件，培养恶性神经胶质瘤细胞系、前列腺癌细胞系、脑肿瘤细胞系、膀胱癌细胞系，观察其形成的肿瘤多细胞球体的形态，发现模拟失重能够使肿瘤细胞形成复杂的表皮样结构，该研究认为模拟失重可用于模拟体内环境而进行三维立体细胞培养。Infanger等［10］利用回旋器模拟失重条件培养乳头状甲状腺癌ONCO-DG1细胞系，观察细胞生长状态和细胞骨架的变化，发现在微重力条件下甲状腺癌肿瘤细胞呈球状生长、细胞骨架松弛、微管网状分布消失且向细胞核聚集、染色质浓缩且轮廓不清。然而，Ivanova等［11］观察微重力环境下的黑色素瘤细胞株的形态学变化，并利用显微镜持续监测6 h，发现模拟微重力对肿瘤细胞形态学的影响不明显，该研究认为可能是黑色素瘤细胞在模拟微重力环境下的培养时间过短，需要延长培养时间进而观察。因此，肿瘤细胞在失重条件下形态学的变化尚无明确结论，需更进一步深入探索和分析。

失重对肿瘤细胞生长、细胞周期和凋亡的影响

失重环境对细胞生长、细胞周期和凋亡的影响有很多报道，大部分研究表明失重可抑制细胞生长和细胞周期、促进细胞凋亡［12-15］，而肿瘤细胞的重要特性包括细胞的异常增生、细胞周期失控和抗凋亡等。近年来，失重条件对肿瘤细胞上述特性的影响也有少量报道。唐劲天等［16］将小鼠黑色素瘤细胞B16搭载于返回式卫星，发现肿瘤细胞的生长速度减慢、细胞周期改变、处于S期及G2期细胞减少、G1期细胞明显增多［16］。Vassy等［7-8］发现太空飞行后的乳腺癌 MCF-7细胞生长速度减慢，他们认为原因可能是失重条件下MCF-7细胞的微管发生变化，有丝分裂时间延长，从而导致细胞周期延长，最终抑制细胞分裂。Qian等［17］利用MG-6C回旋器模拟失重环境，观察失重下MCF-7的生长速度、细胞周期和凋亡，结果表明利用CCK-8试剂盒检测细胞增殖时，失重条件下MCF-7和对照组的差异不明显;而利用细胞计数法检测时发现模拟失重可减缓MCF-7细胞的增殖;流式细胞术结果显示G2+期的细胞比例明显增多，24 h和48 h时细胞凋亡的变化不明显，72 h时细胞凋亡数量明显增多。然而，Jessup等［18］利用不同的回旋速度模拟失重，发现在回旋速度较快的条件下培养人结肠癌细胞系，细胞凋亡增多，而缓慢的旋转速度反而使其凋亡减少。因此，失重或模拟失重环境下，肿瘤细胞的生长、细胞周期和凋亡的变化研究需统一标准，并且可能不同的肿瘤细胞其研究结果也不相同。

失重对肿瘤细胞成瘤性和转移性的影响

肿瘤细胞的成瘤性和转移性是衡量肿瘤恶性程度的两大重要生物学特征，恶性程度越高的细胞在小鼠体内成瘤性和转移性越强。失重对肿瘤细胞的上述特点，包括形态、生长、细胞周期等的影响，是肿瘤细胞成瘤性和转移性改变的基础。有研究报道，黑色素肿瘤细胞经过太空诱变后，在小鼠体内成瘤性明显减弱，移植瘤内形成的新生血管减少、癌旁浸润也减少，但周围的免疫细胞增多，研究认为可能是诱变后黑色素瘤细胞免疫原性增强，诱导了小鼠体内的免疫应答反应，并认为可利用此特点研制肿瘤疫苗［19-20］。Qian等［17］观察 MCF-7 细胞在失重环境中肿瘤细胞迁移和侵袭的变化，结果发现模拟失重使其迁移能力在48和72 h分别下降46.8%和75.7%，对其侵袭能力的抑制率在24、48和72 h分别为29.4%、66.7%和77.8%;同时该研究观察基质金属蛋白酶2(matrix metalloproteinase-2，MMP2)的变化，即一种常用于衡量肿瘤细胞迁移和侵袭的标记物，发现模拟失重下MCF-7细胞内MMP2的产生量明显下降，因此认为模拟失重可以影响肿瘤细胞的侵袭和转移特性。Infanger等［10］以甲状腺癌细胞株CGTH-W-1为研究对象，发现模拟失重环境下CGTH-W-1细胞内骨桥蛋白基因 (osteopontin，OPN)的表达明显下降，OPN是一种与肿瘤细胞的浸润和转移相关的蛋白，常用于判断预后及监测肿瘤复发或转移，因此该研究认为失重可减弱肿瘤细胞的转移能力。2011年Ivanova等［11］报道模拟失重可减弱黑色素瘤的转移能力，发现模拟失重时恶性黑色素瘤细胞内利钠肽受体，即膜结合的苷酸环化酶A和B表达下降，而该利钠肽受体同黑色素瘤恶性程度呈正相关。总之，失重环境对肿瘤细胞成瘤性和转移性的影响，需要更多更深入的研究，尤其是建立动物模型来研究失重条件下肿瘤细胞在体内成瘤性和转移性的变化。

失重环境下肿瘤细胞基因表达水平的变化

细胞表型变化的过程中包含多种基因表达水平的变化，这些基因共同调节细胞的生物学特性。多项研究表明，细胞在失重或模拟失重条件下，大量的分子包括编码序列或非编码序列的表达发生变化［21-24］，有部分研究以肿瘤细胞为研究对象，比较在失重和正常重力条件下基因表达谱的差异。Khaoustov等［25］以肝癌细胞株HepG2为研究对象，对比在模拟失重培养和正常培养条件下基因表达谱的差异，发现95个基因的表达水平发生变化，其中85个基因高表达，10个基因低表达，这为研究失重环境中肿瘤细胞株的表型改变奠定了一定的分子基础。在黑色素瘤细胞中，向青等［20］报道在2株经过太空诱变后的B16细胞中，分别有145个基因和125个基因表达水平发生变化，共同变化的基因有9个，其中前列腺素D2合成酶的表达均明显增高，该研究认为太空诱变后的肿瘤新生血管及癌旁浸润减少可能与这些基因有关。Lewis等［26］利用基因芯片比较太空飞行和地面对照白血病细胞的基因表达，发现约98%的基因表达差异不明显，表达水平发生变化的基因包括细胞骨架相关基因、细胞代谢基因、凋亡基因、细胞周期相关基因、细胞黏附基因和抑癌基因等，其中太空诱变后的白血病细胞中Tsc2基因表达水平是地面对照的11.7倍。Ulbrich等［27］采用基因芯片检测滤泡状甲状腺肿瘤细胞在不同重力下基因表达的差异，发现经历22 s微重力后，ACTB和KRT80表达水平明显升高，COL4A5表达降低，而在超重力环境中上述基因表达水平变化不明显。

综上，随着人们对肿瘤发生、发展的研究越来越多，新的诊断、治疗和预防技术不断涌现;然而，肿瘤的发生率和病死率并未得到根本改善，已严重危害了人类健康。恶性肿瘤的最主要两大特征是肿瘤细胞无限制的生长和转移，从这两个方面着手研究肿瘤的致病机制可能是解决肿瘤的切入点。大部分体外研究都证实，失重或模拟失重可减慢细胞的生长速度和细胞的运动能力，改变肿瘤细胞的形态，影响细胞的凋亡、细胞周期，抑制肿瘤细胞的致瘤性、增殖和转移。因此，利用失重模型来研究癌症，一方面可以为癌症基础研究奠定基础，尤其是其发生和转移的机制;另一方面基于失重对肿瘤细胞生长和迁移的抑制作用，将来可作为治疗癌症的一种新手段。此外，失重可增强肿瘤细胞的免疫原性，启动机体的免疫系统，监视肿瘤细胞的生长，从而减弱肿瘤细胞在体内的致瘤性，利用该特性可为肿瘤疫苗的研制提供一条新的途径。然而，目前有关失重对肿瘤细胞的影响研究报道较少，并且几乎所有研究都局限于细胞水平，利用体内实验研究失重对肿瘤动物模型的影响尚未见报道。由于体外的细胞水平不能从根本上反应体内情况，为深入研究失重或模拟失重对肿瘤细胞的影响研究，观察肿瘤动物模型在失重环境中的变化是一个必不可少的方面。此外，随着中国航天技术的飞速发展，尤其是神舟飞船的升空和空间站的建立也为研究肿瘤细胞在失重环境中的变化提供了良好的平台，借此可以开发和利用太空资源研究肿瘤。总之，失重或模拟失重是一种特殊的物理现象，其对肿瘤细胞生物学和分子生物学的影响还处于初步阶段，尤其是对动物体内肿瘤模型的影响研究尚未开始，利用失重模型探讨肿瘤各种生物学或分子生物学特性的变化可作为研究肿瘤的一种新方法，但具体的分析还需进一步研究。

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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

刘长庭 电话:010-66876272，电子邮件:liuchangt@gmail.com

R73

A

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

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

武器装备预研基金 (9140A26040312JB1001)、航天医学基础与应用国家重点实验室开放基金 (SMFA11K02)和中国博士后科学基金(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)

·论 著·