研究微重力对甲状腺肿瘤的影响

陈雪梅， 陈远洋 综述 周全红 审校

（上海交通大学附属第六人民医院麻醉科，上海 200233）

微重力又称零重力，是指在重力作用下，系统表观重量远小于其实际重量的环境。微重力提供的特殊物理环境，可明显影响正常及病变细胞的生理功能[1-2]。宇航员在外太空长时间处于微重力状态，机体会出现系统性生理异常，包括肌肉萎缩、骨质疏松、免疫系统受损、液体头向分布等[3]。

最常见的内分泌恶性肿瘤甲状腺癌，过去40年里，世界范围的发病率有所上升。低分化甲状腺癌有高度侵袭性和早期转移，常导致病人不良预后。目前对复发性低分化甲状腺癌的治疗选择非常有限。研究表明，太空失重环境对甲状腺形态和功能产生重要影响。对处于微重力的小鼠甲状腺分析发现，其内分泌功能紊乱和形态学发生改变[4]。太空失重环境中的小鼠甲状腺发生一系列有害变化，表明重力对于维持甲状腺正常生理功能的重要性[5]。已知正常细胞在微重力环境下发生的各种变化。因此，研究者借助微重力的特殊条件，希望寻找肿瘤防治，新药靶点的新思路。

在真实失重环境下的研究机会少而珍贵。目前用地面设施来模拟微重力，主要包括快速旋转回转器(fast-rotating clinostat,FRC)、旋转壁式容器(rotating wall vessel,RWV)或随机定位机(random positioning machine,RPM)[3]等设备。FRC和RPM的工作原理相似，都是改变重力矢量的方向，从而防止沉降。RWV则是通过容器不断绕水平轴旋转，以提供培养基流，从而抵消重力，防止沉降。研究证明，使用地面模拟设施研究所得结果与真实微重力下结果一致，是地面微重力研究的可靠工具[6-7]。

微重力对正常甲状腺的影响

甲状腺的基本结构是甲状腺滤泡，主要为滤泡上皮细胞(甲状腺细胞)，这些细胞产生三碘甲腺原氨酸和甲状腺素。在体内，甲状腺细胞呈单层排列(上皮细胞)，环绕在滤泡的管腔周围。体内、外实验表明，微重力和超重均对甲状腺细胞有影响。特别是微重力影响甲状腺滤泡更明显，表现为甲状腺细胞肥大，并显示单磷酸环腺苷、促甲状腺激素受体和陷窝蛋白1(caveolin-1，CAV1)升高[8]。同时还影响甲状腺的内分泌功能，表现为细胞游离三碘甲腺原氨酸、甲状腺素和游离甲状腺素分泌降低[9]。早在1979年，发现在失重的动物中可观察到甲状腺功能中度减退症状，降钙素分泌细胞中核的数量和体积明显减少[5]。暴露于真实外太空失重条件下的大鼠甲状腺细胞 (fischer rat thyroid cell line-5,FRTL-5)，表现为不规则形状、细胞染色质浓缩、细胞膜重塑，以及鞘磷脂合成酶和细胞凋亡Bax蛋白增加，且对甲状腺激素不敏感[10]。与正常重力下的细胞相比，暴露于微重力下的甲状腺细胞会脱离单层黏附状态，并自行聚集成三维多细胞球体(multicellular spheroid,MCS)[11]。在RWV中培养的甲状腺滤泡细胞不仅相互聚集成球体，且加入角质形成细胞生长因子培养后可形成人工甲状腺类器官，其结构与天然甲状腺组织非常相似[12]。

Nrhy-ori 3-1细胞系是人原代甲状腺细胞，具有甲状腺上皮细胞的形态兼特定分化能力，且无致瘤性。研究显示Nrhy-ori 3-1细胞在RPM条件培养后形成MCS，且球状体长时间培养未见明显坏死迹象。白细胞介素(interleukin,IL)-6和IL-8可能参与成球的过程[13]。众所周知，IL-6参与甲状腺癌的血管生成和肿瘤转移。IL-6浓度的升高可能是由于细胞表面特异性受体CD44激活，提示CD44-IL-6连接体可能在重力感知中起重要作用[14]。综上所述，微重力可影响正常甲状腺的形态、基因表达、蛋白质合成和内分泌功能等。

微重力对甲状腺肿瘤细胞生物学行为和功能的影响

一、对形态学影响及可能机制

不同甲状腺肿瘤细胞系 (ML-1、FTC-133和UCLA RO-82W-1)已开展大量不同微重力系统研究。有研究报道，模拟失重可影响细胞骨架和细胞外基质的代谢[15]，同时也影响肿瘤细胞的黏附、增殖、凋亡、侵袭和转移[16]。在微重力下，正常黏附癌细胞的一部分会形成非球状细胞，而另一部分则不黏附，形成多细胞肿瘤聚集体(multicellular tumor spheroid,MCTS)。MCTS中的细胞发生明显改变，增殖行为及基因表型与正常重力下在平面生长的细胞完全不同。癌细胞在微重力条件下，脱离、成球的过程可模拟癌细胞的转移。 目前MCS成为研究转移、筛选新靶向药物、开发癌症治疗新策略的宝贵模型[17]。

ML-1细胞系形成的MCTS，显示其与凋亡相关的Fas蛋白、p53和Bax的表达量明显增加，但抑制凋亡的Bcl-2蛋白表达减少，提示微重力条件可能诱导细胞早期凋亡[18]。近期研究表明，微重力诱导的凋亡很可能与激活细胞的NF-κB通路密切相关[19]。此外，微重力使细胞外基质蛋白的含量增加，并在多细胞球体中的细胞外基质稳定性也受微重力影响[15，20]。国内研究发现，与正常重力对照组相比，微重力抑制大鼠甲状腺滤泡上皮细胞系增殖。进一步分析，发现停滞于G1期的细胞比例显著升高，DNA的合成下降。研究显示，UCLA RO-82W-1细胞系经过RPM条件培养后，细胞参与血管生成产物的基因表达上调，而参与细胞外基质形成产物的表达下调[21]。微重力条件对甲状腺生物行为及生理功能具有明显影响(见表1、2)。

表1 微重力对甲状腺肿瘤细胞的影响

太空实验可达到完全失重条件，更能显示微重力对甲状腺功能的影响。2011年，神舟8号试验发现，甲状腺滤泡癌细胞的增殖、黏附和生长行为发生明显变化，细胞侵袭性的表型减弱[29]。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，尤其是VEGFA，是驱动血管生成最重要的生长因子，参与肿瘤血管形成[30]。该研究发现，RPM和太空飞行器上培养的FTC-133甲状腺癌细胞VEGFA的表达降低，在非黏附细胞和MCS中下调程度无差异。此外，分化型甲状腺癌转移病人VEGFD血清水平降低，观察到在微重力下FTC-133甲状腺癌细胞VEGFD基因表达增加。所有结果显示，甲状腺肿瘤细胞在微重力下向良性、低转移性的表型转变[22]。同样，模拟微重力也抑制黑素瘤BL6-10的侵袭性[24]。

二、形成MCTS的机制

微重力促使甲状腺肿瘤细胞形成MCTS的机制一直是研究的热点。微重力条件下，与正常的甲状腺细胞相比，FTC-133细胞可形成更大的MCS，同时成球速度更快。对其蛋白质组分析结果显示，paxillin、vinculin和局灶黏连激酶表达减少，这可能有利于细胞从培养瓶底部脱离，同时细胞表达更多的结合纤连蛋白，有助细胞球体的形成[31-32]。此外，CAV1和结缔组织生长因子(connective tissue growth factor,CTGF)在球状体中的表达下调，两者可能参与抑制MCS的形成[7]。MCS形成的相关研究及可能机制见表3。

表3 甲状腺肿瘤细胞在真实或模拟微重力条件下形成MCS的研究

微重力条件下研究抗肿瘤药物治疗的潜在靶点

人肾皮质细胞在完全失重条件下培养6 d。其与地面对照组相比，10 000个分析基因中有1 632个发生变化。第1次发现微重力可广泛影响体外培养细胞的基因变化[38]。基于这些发现，推测微重力条件也会引起癌细胞很多蛋白质的表达变化，可能成为新药开发的基础。已知地塞米松对NF-κB途径具有抑制作用，而NF-κB转录因子参与甲状腺癌的发生[39]，并可能成为晚期甲状腺癌治疗的靶点。进一步研究显示，Src抑制剂PP2和E-cadherin抗体也对人乳腺癌MCF-7细胞成球有影响。PP2可抑制细胞成球，而E-cadherin抗体则可促进细胞成球。在微重力条件下探究可能的治疗靶点是未来甲状腺肿瘤研究的重要领域。

小 结

微重力可影响正常和恶性甲状腺细胞的生长、增殖、迁移、细胞骨架、细胞外基质和局部黏附。与正常重力下的细胞比较，良、恶性细胞中可检测到大量差异基因以及蛋白质合成和分泌的改变。在微重力条件下，良、恶性细胞均有形成MCS的现象。虽然MCS模型用于模拟肿瘤转移，对其潜在机制的研究也提供关于体内癌症进展和转移的有价值的信息，但调控MCS形成的过程复杂，仍需更深入、系统的研究。微重力条件提供的特殊培养环境，有助于检测差异蛋白质的变化，为筛选癌症药物作用靶点提供条件。

表2 微重力影响细胞变化的可能机制