灌注生物反应器为新型骨转移性列腺癌试验台启用流体衍生的剪切应力条件
发布时间：2021/11/23 16:54:26关注度：2751
列腺癌是男性癌症相关发病率的几大原因之一，据报告，90% 的死亡是由列腺癌的骨转移引起的，导致病理性骨折或其他骨骼相关的联反应。
据了解，新药对骨转移癌治疗失败的原因是对列腺癌与骨微环境之间复杂的相互作用认识不足，以及缺乏合适的药物测试模型。近年来，由于在细胞形态、细胞-细胞和细胞-外基质(ECM)相互作用方面能够模拟疾病表型，组织工程三维(3D)模型比二维(2D)测试模型获得了研究人员巨大的兴趣。许多组织工程研究表明，生物力学线索在骨骼发育和骨骼重塑过程中起着重要作用。研究还表明动态流动对成骨细胞表型表达的重要作用。此外，对各种癌细胞类型的研究表明，剪切应力对癌细胞的反应有调节作用。药物功效的作用也受到癌细胞剪切应力的影响。虽然众所周知，流体衍生的剪切应力维持骨稳态及其生长，但它们在促进列腺癌向骨转移方面的作用在很大程度上是未知的。基于此，美国北达科他州立大学土木与环境工程系的家学者进行了深入研究，在该团队现有的体外3D细胞培养系统中实施动态条件，探索流体衍生的剪切应力对列腺癌骨转移的影响。在这项研究中，研究人员制造了一个灌注生物反应器系统，以了解在研究的一部分期间流体衍生的剪切应力对人类间充质干细胞（hMSCs）增殖、分化和形态变化的影响。然后，将实验重点放在研究动态条件下连续培养的列腺癌细胞（PCA）的形态和基因/蛋白质表达的变化上，还将结果与列腺癌骨转移类肿瘤的静态培养进行了比较。
图1 灌注生物反应器设置在37°C、5% CO2、高水分含量的培养箱内
图2 描述静态和动态培养中细胞顺序培养的示意图
先，实验研究了剪切应力对hMSCs增殖和成骨分化的作用，并将结果与静态培养条件进行了比较。观察显示，与静态结果相比，在动态条件下培养的 hMSCs 的 DNA 含量在第 23 天几乎翻了一倍（图3）。先的研究也报道了动态培养可提高hMSCs的增殖率，提示剪切应力在提高增殖率中起关键作用。
图3 第 10 天和第 23 天静态和动态样本的 DNA 含量
然而，为了了解流体剪切应力对 hMSCs 取向的关键作用，实验评估了 hMSCs 中的 p-FAK/FAK 蛋白水平，并观察到在动态样本中蛋白水平显著升高（图4）。很明显，p-FAK 激活在维持hMSCs伸长形态中起着关键作用。
图4 相对于总 FAK 的 p-FAK 蛋白表达的量化
接下来，通过流式细胞术测定了两种培养条件下 hMSCs 的细胞周期，以比较 hMSCs 的变化。观察结果显示，与第10天的样本相比，在两种培养条件下，第23天G0/G1期的百分比显著增加，这表明 hMSCs 成熟为成骨细胞。通过评估三个关键因子（如 RUNX2、ALP 和 OCN）的表达进一步证实了 hMSCs 的成骨分化。在研究的第二部分评估了动态培养对 MET 重要生物标志物的影响。MET 是转移阶段癌症进展的关键步骤，对应于细胞从间充质到上皮细胞表型行为的变化。该研究评估了流体衍生的剪切应力对 MET 生物标志物 E-钙粘蛋白和波形蛋白的额外影响。结果表明 ，在 MDAPCa2b SC 细胞和 PC3 SC 细胞的动态样本中观察到E-cadherin表达显著升高。相比之下，与静态样本相比，PC3 SC 和 MDAPCa2b SC 随时间的推移观察到波形蛋白表达的变化较低或没有变化。因此，从结果中可以清楚地看出，流体衍生的剪切应力会影响细胞形态。
此外，实验展示了磷酸化的 FAK 表达的变化。FAK是一种位于细胞质中的非受体酪氨酸激酶，调节多种细胞信号，包括细胞粘附、定植、侵袭和细胞增殖。在研究中，在骨转移部位，实验报告了在流动条件下，两种SCs中磷酸化的(Y397) FAK相对于其总FAK蛋白的表达显著增加（图6）。与在低剪切应力强度下 p-FAK 表达增加的观察一致，许多研究报告了在低水平剪切应力下癌细胞中 p-FAK 水平的增加。
总之，该研究利用 3D 转移试验台和计算流体动力学的进一步研究，将为建立流体剪切应力和转移进展之间的相关性提供一个更好的视角。
参考文献：Jasuja H, Kar S, Katti DR, Katti K. Perfusion bioreactor enabled fluid-derived shear stress conditions for novel bone metastatic prostate cancer testbed. Biofabrication. 2021 Jan 8. doi: 10.1088/1758-5090/abd9d6. Epub ahead of print. PMID: 33418550.
原文链接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/33418550/
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