SphK1在膀胱尿路上皮癌中的表达及对其增殖和转移的影响
2016-11-16孟晓东邱建宏周占松赵新鸿
孟晓东,邱建宏*,周占松,赵新鸿
(1.中国人民解放军白求恩国际和平医院泌尿外科,河北 石家庄 050082;2.中国人民解放军第三军医大学第一附属医院泌尿外科,重庆 400038)
·泌外专栏论著·
SphK1在膀胱尿路上皮癌中的表达及对其增殖和转移的影响
孟晓东1,邱建宏1*,周占松2,赵新鸿1
(1.中国人民解放军白求恩国际和平医院泌尿外科,河北 石家庄 050082;2.中国人民解放军第三军医大学第一附属医院泌尿外科,重庆 400038)
目的探讨鞘氨醇激酶1(sphingosine kinases-1, SphK1)在膀胱尿路上皮癌中的表达及其对尿路上皮癌细胞增殖和转移的影响。方法逆转录定量聚合酶联反应(quantitative real time polymerase chain reaction,qRT-PCR)方法检测膀胱癌患者膀胱癌组织和邻近的正常组织SphK1 mRNA的表达。以佛波醇12-豆蔻酸酯13-乙酸酯(phorbol 12-myristate 13-acetate,PMA)为SphK1激活剂、二甲基鞘氨醇(N-dimethyl D-erythrosphingsine,DMS)为SphK1抑制剂、0.9%NaCl为空白试剂将膀胱癌BIU-87细胞株分别处理为激活组、抑制组和空白对照组。采用CCK-8法检测各组细胞的增殖情况。Matrigel三维培养法观察各组细胞血管生成拟态(vasculogenic mimicry, VM)形成能力。结果对比膀胱尿路上皮癌组织及邻近正常组织,发现癌组织中SphK1 mRNA的表达显著高于癌旁正常组织;SphK1激活剂可促进BIU-87细胞增殖,促进Matrigel构建的三维培养系统中VM的形成。SphK1抑制剂则能抑制BIU-87细胞增殖,三维培养中不能形成管状VM。结论SphK1在膀胱尿路上皮癌发生发展中发挥着重要的作用,其机制可能与促进癌细胞增殖及促进VM形成有关。
膀胱肿瘤;鞘氨醇激酶1;细胞增殖doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.10.007
膀胱癌是泌尿系统中易发的首位肿瘤[1],具有较高的发病率和病死率。其中尿路上皮癌是其最常见的病理类型[2]。目前治疗措施主要有手术、适形放疗和局部灌注或全身化疗等,但是经上述措施单独或合并治疗后还经常出现肿瘤再发甚至转移,预后不良[3]。脂类组学的研究发现鞘脂参与细胞的信号调控进程,进而影响细胞周期并具有调控细胞凋亡的作用[4]。其中鞘氨醇激酶1(sphingosine kinase 1,SphK1)通过调控鞘脂代谢的平衡,在细胞的增殖、转化、迁移等众多生物学行为中发挥了重要作用[5]。研究发现SphK1在多数细胞中普遍表达,但其在多种肿瘤中表达异常,包括乳腺癌、结肠癌、肺癌、宫颈癌等[6]。本研究旨在探讨SphK1在膀胱尿路上皮癌中的表达及其功能,报告如下。
1 资料与方法
1.1患者情况及组织来源收集2005年7月—2011年1月在中国人民解放军白求恩国际和平医院泌尿外科住院行手术治疗的膀胱癌患者的冰冻肿瘤病理组织及癌旁组织。患者情况:男性41例,女性11例,年龄33~82岁,平均(57.0±19.7)岁。术前未行任何形式(腔内或开放)手术处理并且未行任何形式的放射性治疗、化学药物治疗及中成药物治疗。术后病理诊断符合:尿路上皮癌1级(G1);尿路上皮癌2级(G2);尿路上皮癌3级(G3)。手术或活组织检查切下肿瘤组织后,30 min内无菌条件下将肿瘤组织用灭菌生理盐水冲洗两遍后切除3/4用于病理检查,1/4用于冻存。选取的标本包括同一患者的肿瘤组织及瘤旁组织(距离病变部位2 cm以外),2~5 mm,共52对。
本研究经中国人民解放军白求恩国际和平医院伦理委员会批准,患者和家属均知情并签署知情同意书。
1.2细胞来源购自中国科学院典型培养物保藏中心昆明细胞库。细胞株名称:人膀胱移行细胞癌细胞株(BIU-87)。组织来源:膀胱。形态特征:上皮样细胞。培养条件:完全培养基,90%RPMI-1640培养液(内含2 mmol/L谷氨酰胺)+10%胎牛血清(fetal bovine serum,FBS),将其置于37 ℃,5% CO2培养箱内常规条件下培养扩增,0.25%胰酶消化,传代。
1.3主要试剂90% RPMI-1640培养液、10%FBS、青链霉素双抗溶液、磷酸盐缓冲液、二甲基亚砜、胰蛋白酶均购于美国Gibco公司。Sphk1激动剂佛波醇12-豆蔻酸酯13-乙酸酯(Phorbol 12-myristate 13-acetate,PMA)购自美国Sigma-Aldrich公司。SphK1抑制剂二甲基鞘氨醇(N-dimethylsphingisine,DMS)购自上海惠诚生物科技有限公司。Martrigel胶购自美国BD,Bioscience公司。无血清培养基购自美国Gibco公司。Hank′s液购自德国Merck公司。CCK-8试剂盒购自广州奕源科技公司。Trizol购自Invitrogen15596-026。cDNA合成试剂盒、Premix Ex TaqTM购自日本TaKaRa公司。引物、探针委托太原科瑞斯克公司合成。
1.4逆转录定量聚合酶联反应(quantitative real time polymerase chain reaction,qRT-PCR)检测将新鲜冻存的膀胱肿瘤组织及配对癌旁组织液氮研磨,Trizol法提取总RNA,紫外分光光度法测定所提RNA纯度和浓度;变性琼脂糖凝胶电泳法测定所提取RNA质量,检测28s、18s条带的完整性。按照反转录试剂盒上的步骤反转录成cDNA,以cDNA为模板行PCR扩增。引物合成及探针标记委托太原科瑞斯克公司完成。SphK1:上游为5′-CTTGCAGCTCTTCCGGAGTC-3′;下游为5′-GCTCAGTGAGCATCAGCGTG-3′。SphK1 Probe为5′-(FAM)CCCTTTTGGCTGAGGCTGAAAT-CTCC(TAMRA)-3′。扩增长度77bp。内参选GAPDH:上游为5′-GACTCATGACCACAGTCC-ATGC-3′;下游为5′-AGAGGCAGGGATGATG-TTCTG-3′。GAPDH Probe为5′-(FAM)CATCA-CTGCCACCCAGAAGACTGTG(TAMRA)-3′。扩增长度123bp。用2-△△Ct法评估SphK1 mRNA的水平。
1.5BIU-87细胞分组培养处于对数生长期的BIU-87细胞,吸净旧培养液,消化液消化,加入完全培养基停止消化过程。移液器将细胞悬浮液移入离心管中,1 000 r/min离心3 min,弃上清,加入细胞培养液,调整浓度为10 000个/100 μL,移液器将细胞悬浮液加入96孔板中,每5孔为1个重复,依次加入PMA(100 mmol/L),DMS(80 μmol/L)及等量0.9%NaCl[7]。37 ℃、5%CO2、饱和湿度培养箱中培养。
1.6观察BIU-87细胞增殖能力的方法将BIU-87细胞行胰酶消化并进行细胞计数,调整细胞浓度为10 000个/100 μL。用移液器将细胞悬液混匀后加入到96孔板中,每孔加入100 μL细胞悬液,并设置完全培养基调零孔,每孔设置5个重复,分为PMA组、DMS组和空白对照组(0.9%NaCl),加入相应药物并于37 ℃、5%CO2、饱和湿度培养箱中分别培养4、6、12、24、48 h。每孔加入10 μL CCK-8溶液,注意不要加入气泡以免影响OD值。继续培养3 h。在紫外分光光度计中检测各组450 nm吸光度值。
1.7观察各组血管生成拟态(vasculogenic mimicry,VM)形成能力的方法将Matrigel在-4 ℃下放置12 h融化为液态。Eppendoff移液器枪头和24孔细胞培养板置于冰上预冷。在24孔细胞培养板上每孔内加入300 μL Matrigel原液,摇动以使之均匀分布于孔的各个位置,避免气泡产生。37 ℃培养箱内孵育此板30 min使其凝固,完成胶的包被。0.25%胰酶消化各处理组细胞为单细胞悬液状态,移液枪在每孔内接种1 mL浓度为5×105/mL的各实验组及对照组BIU-87细胞悬液,分别置于37 ℃、CO2培养箱下继续培养。12 h后终止培养,观察各组BIU-87细胞在胶中形成交叉的网状结构,说明BIU-87细胞形成血管的雏形,称其为VM。照相记录各组细胞管状结构排列情况和完整程度:倒置显微镜下(×200)视野内随机取上、下、左、右、中5个视野,照相记录并计数类似管状结构数量,取每个视野的均值。
1.8统计学方法应用SSPS 19.0统计软件进行数据分析,计量资料比较分别采用成对样本的t检验、单因素方差分析和SNK-q检验。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结 果
2.1膀胱癌组织及癌旁组织中SphK1 mRNA的含量通过qRT-PCR方法检测52对冰冻膀胱癌组织及其邻近正常组织,发现SphK1 mRNA含量不同,肿瘤组织的相对表达量(3.51±1.19)高于正常膀胱黏膜组织的相对表达量(1.07±0.56),差异有统计学意义(t=13.379,P<0.01)。
2.2各BIU-87细胞株增殖能力的变化不同组细胞在不同作用时间后,在紫外分光光度计中检测450 nm吸光度值,各组BIU-87细胞通过不同处理,增殖能力表现不同,3组在培养6 h之内趋于稳定,都有随着培养时间延长增殖逐渐增强趋势(P<0.01);对照组从12~48 h呈现出缓慢增殖状态(P<0.05),而PMA组较对照组的增殖能力明显增强(P<0.05),DMS组的细胞增殖能力受到了明显抑制(P<0.05)。见表1,图1。
表1各组不同时点吸光值的单因素方差分析
组别4h6h12h24h48hFPPMA0.14±0.09*#0.16±0.073.26±0.06*#6.10±1.14#7.62±1.89#35.4630.000DMS0.13±0.050.11±0.041.08±0.04*1.62±0.08#2.97±0.11*876.3040.000对照组0.11±0.020.13±0.042.14±0.074.95±0.056.23±2.2323.4450.000F3.3090.7041058.97037.2365.992P0.0000.0000.0000.0000.037
*P<0.01与对照组比较#P<0.05,与DMS组比较(SNK-q检验)
图1不同处理组不同时间OD值变化
Figure 1The OD changes of different groups in different time
2.3各组VM形成能力比较按照上述方法将各组细胞加入胶12、16、24 h后,照相记录各组细胞管状结构排列情况和完整程度。观察24 h,对照组和DMS组均无明显VM形成;PMA组培养12 h无明显变化,16 h有些纤维状物质出现,到24 h已有明显的血管状结构出现(图2)。
图2Matrigel三维培养法观察各组VM能力
Figure 2Matrigel three-dimensional culture method to observe vasculogenic mimicry ability
3 讨 论
现代肿瘤学研究发现,膀胱癌的发生发展、侵袭转移是一个复杂的病理生理过程,受许多因素影响。多项研究证实了在膀胱癌的病程中,诸如趋化因子受体CXCR4及其配体基质细胞衍生因子1[8-9]、基质金属蛋白酶中MMP-2、MMP-9[10-11]、VEGF[12]、整合素(Integrin)[13]、E-黏附素、γ连接素(γ-catenins)[14]、膀胱癌肿相关抗原(bladder tumor associated antigen,BTA)、核基质蛋白22(nuclear martrix protein 22,NMP22)等,在膀胱肿瘤组织中的表达较正常膀胱黏膜组织出现异常[15],而且其表达与膀胱癌的恶性程度、浸润、转移等生物学行为有关。其中有些甚至可以作为影响膀胱癌进展预后情况的独立因素。还有研究发现肿瘤转移相关基因如LOH[16]、KAI-1[17]及肿瘤抑制基因PTEN[18]等在膀胱癌组织中表达异常,且与膀胱肿瘤的发生发展、侵袭转移有关。这些肿瘤相关细胞因子及基因均有可能作为膀胱肿瘤诊断以及防治的新靶点,针对这些分子在肿瘤发展中的作用实施特意的调控措施将会影响肿瘤的生长和发展。这些基础研究对寻找诊治膀胱癌的分子治疗靶点具有十分重要的意义。
脂类代谢在肿瘤的发生发展中也起到了重要的作用:脂类中鞘磷脂的生物学行为不仅包括细胞膜的代谢与调节,也参与了肿瘤的发生发展及浸润扩散。鞘磷脂的活性代谢产物中鞘氨醇1-磷酸(sphingosine1-phosphate,S1P),神经酰胺(ceramide,Cer)和鞘氨醇(sphingosine,Sph)均是重要的信号分子。S1P具有促进细胞的生长、增殖和生存,刺激新生血管生成,抑制细胞凋亡的功能,而Cer与Sph则起着相反的作用,它们的功能与启动细胞凋亡进程及细胞周期变化有关。Cer/Sph:S1P维持一个动态平衡,这个动态的相对平衡决定了这个细胞的命运,决定了它能否继续生存。当平衡倾向于Cer/Sph时,细胞就准备进入程序性死亡途径;而当S1P水平增加时细胞会继续生存并出现增殖。这就是所谓的“鞘脂类可调变阻器(sphingolipid-rheostat)”[4-5]。通过此机制的调节,可以实现对细胞生物学活动的影响,该理论为癌症治疗研究提供了新的思路。
多项研究发现SphK1在肿瘤组织中较正常组织表达明显升高,已经证实在包括乳腺癌、黑色素癌、肺癌、结肠癌、宫颈癌、胃癌、子宫癌、肾癌、直肠癌等肿瘤患者中,共241对癌组织与癌旁正常组织通过癌症分析阵列(clontech)相比,癌组织中的SphK1 mRNA表达较癌旁正常组织高出约2倍[19]。在http://www.oncomine.org/,http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/的网站上都可以查到经N-甲基-N-亚硝脲(N-methyl-N-nitrosourea,NMU)诱导的小鼠乳腺癌模型、经他莫西芬治疗后复发的乳腺癌患者的癌组织中、黑色素瘤皮肤癌、晚期的宫颈癌、浸润性膀胱癌、树突状胶质瘤、头颈部癌、白血病(包括B、T细胞急性淋巴细胞白血病和急性髓系白血病)、成年男性生殖细胞瘤等肿瘤组织的芯片分析显示SphK1的表达有统计学意义上的显著增加。本研究结果显示SphK1在膀胱尿路上皮癌中像其他肿瘤一样同样存在表达异常,膀胱癌组织SphK1的表达明显高于癌旁正常组织,差异有统计学意义。
肿瘤细胞的增殖与转移是影响肿瘤疾病患者预后好坏的重要原因。增殖、转移是一个复杂的病理生理过程,其进程受许多因素影响,最核心的原因源自于肿瘤细胞的增殖与转移能力。如前所述在可调脂质变阻器的动态平衡中SphK1起到了关键酶的作用。细胞内Cer、Sph水平上升可由调控SphK1的活性下降实现,S1P水平下降,进而促进细胞进入凋亡。SphK1表达的变化不仅改变脂类分子的平衡,还能影响细胞周期,周期内不同阶段转化的速率、肿瘤组织中S期细胞数量可受其上调而增加和提高,而肿瘤细胞的倍增时间会减少,进而促进肿瘤细胞的生长。另外,其底物外源性S1P也会抑制肿瘤细胞的凋亡。外源性S1P分泌出胞,可作为第二信使与细胞膜上的S1P受体结合,S1P受体属于GPCR蛋白家族,不同受体在不同时间的表达激活会起到不同的生物学功能,GPCR蛋白家族的激活引发一些列下游信号,如Ras/Raf/ERK、PI3K/AKT/mTOR、Rac/Rho等。这些信号通路与细胞迁移、侵袭、增殖及血管新生都密切相关[20]。肿瘤的生物学特征之一即表现为迅速、不受控制的生长,为了保证其快速的增长速度,肿瘤组织都伴有丰富的血液供应。血供如果欠佳会导致缺氧,缺氧产生的刺激信号会促进新的血管的生成。研究发现肿瘤血管新生过程是一系列互相关联的事件构成,诸如内皮细胞游离,细胞外基质崩解,血管内皮细胞增殖和迁移,雏形血管构建、延伸,与瘤内部相沟通,内皮祖细胞的募集,血管拟态和淋巴管拟态形成等。S1P可通过其受体来维持内皮细胞聚集构成完整的屏障,促进其向血管拟态结构方向的转变,从而完成新生血管的形成[21]。Schwalm等[22]通过研究发现人脑胶质瘤U87MG细胞在缺氧条件下的SphK1 mRNA和蛋白质表达均呈上调态势,而通过siRNA抑制SphK,减少细胞内的S1P生产和释放,进而能阻止低氧诱导因子HIF-2α的表达。Ader等[23]的研究发现,在低氧环境下培养人类肿瘤细胞系肿瘤细胞,如前列腺癌、脑胶质瘤、乳腺癌、肾癌、肺癌,抑制SphK1活性能抑制HIF-1α的积累和转录活性。这些研究都表明在处于缺氧状态的肿瘤细胞中,SphK1为新生血管的建立以改变肿瘤的缺氧状态起到了重要作用。Kolmakova等[24]的研究直接表明,SphK1可能在新生血管生成的调节中起作用,抑制其表达能够抑制新生血管的形成。此外,Limaye等[25]的研究表明,SphK1的高表达能够通过PECAM-1依赖的PI-3K/AKt激活以及调节Bcl-2家族活性来增强在缺氧条件下内皮细胞的存活,这说明在缺氧条件下高表达SphK1可能促进新生血管形成。Mizugishi等[26]在双敲除SphK1和SphK2基因的小鼠中发现,小鼠的神经系统和脉管系统都存在发育紊乱,失去正常结构。对多种肿瘤细胞的研究均提示SphK1/S1P参与了VEGF以及血管新生的调节。
目前关于SphK1其是否参与尿路上皮癌细胞的增殖及侵袭转移过程,通过什么具体通路,是调控信号蛋白还是直接作用,都尚不清楚。本研究从该分子着手,在肿瘤细胞水平,选用我国自行培养的人类膀胱癌细胞系BIU-87细胞株,通过用SphK1激动剂PMA、SphK1抑制剂DMS处理BIU-87细胞,并设空白对照组,研究干预措施直接作用此分子后,观察肿瘤细胞增殖、转移功能是否出现变化。通过采取 CCK-8 法检测经处理后的不同组BIU-87细胞之间增殖能力变化,结果显示经PMA处理后的BIU-87细胞(PMA组)较对照组增殖能力增强,特别是在培养12 h以后,细胞的增殖能力明显升高,而经DMS处理的BIU细胞(DMS组)增殖能力较对照组受到了明显抑制。本研究采取Matrigel三维培养法观察肿瘤细胞的VM形成能力,观察24 h,对照组和DMS组均无明显VM形成,PMA组培养12 h无明显变化,16 h有些纤维状物质出现,到24 h已有明显的血管状结构出现,表明SphK1激活剂作用于BIU-87细胞后才出现了VM趋势。而膀胱癌细胞具有激活SphK1的作用,本研究显示SphK1在细胞水平即可检测到,也说明癌细胞具备了血管生成能力,能促进膀胱肿瘤的增殖、侵袭,为其进一步转移扩散提供了基础。
总之,SphK1在膀胱尿路上皮癌中高表达,其表达程度与肿瘤的发生发展有关,其机制与SphK1提高肿瘤细胞的增殖能力、促进肿瘤细胞VM形成等机制有关。本研究对以SphK1为靶点的分子肿瘤治疗提供了一定理论依据。
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(本文编辑:许卓文)
Expression of SphK1 and its effect on the proliferation and metastasis of bladder transitional cell carcinoma
MENG Xiao-dong1, QIU Jian-hong1*, ZHOU Zhan-song2, ZHAO Xin-hong1
(1.Department of Urology, the Bethune International Peace Hospital, Shijiazhuang 050082,China;2.Department of Urology, Southwest Hospital, the Third Military Medical University, Chongqing 400038, China)
ObjectiveTo investigate the sphingosine kinase 1(SphK1) expression in bladder urothelial carcinoma and effects on the proliferation and metastasis of urothelial cancer cells. MethodsThe expression of mRNA in bladder urothelial cancer tissue and adjacent normal tissue SphK1 was detected by qRT-PCR method. Phorbol 12-myristate 13-acetate(PMA) was used as SphK1 activator. N-dimethyl D-erythrosphingsine (DMS)was used as SphK1 inhibitor. 0.9% NaCl reagent was used as blank control. Bladder cancer cell line BIU-87 was treated as active group, control group and blank control group. The cell proliferations in each group were measured by CCK-8 method. Matrigel method was used to observe the vascular cells vasculogenic mimicry(VM) forming ability in three-dimensional culture method. ResultsThe expression of SphK1 mRNA in bladder urothelial cancer tissue was significantly higher than that in adjacent normal tissue. SphK1 activator can promote the proliferation of BIU-87 cells and to promote the formation of VM in the three dimensional culture system constructed by Matrigel. SphK1 inhibitors can inhibit the proliferation of BIU-87 cells, and can not form a tubular VM in three dimensional culture. ConclusionSphK1 plays an important role in the occurrence and development of bladder cancer, and its mechanism may be related to promoting the proliferation of cancer cells and promoting the formation of VM.
bladder cancer ;sphingosine kinase 1; cell proliferation
2016-10-20;
2016-10-24
孟晓东(1977-),男,河北石家庄人,中国人民解放军
。E-mail:hpyyqiujh@163.com
R737.14
A
1007-3205(2016)10-1139-06
白求恩国际和平医院主治医师,医学博士,从事泌尿外科疾病诊治研究。