在组织中，所有细胞都承受机械应力，包括剪切应力、拉伸应力和压缩应力。在癌症中，压缩应力研究不足，其对细胞增殖和迁移的影响可能取决于施加力的大小、持续时间和方向，以及与细胞外组织成分的关联。在实体瘤发展过程中，肿瘤细胞迅速增殖，这种情况与机械力的增加和内部刚度的增加有关。

PI3K 蛋白可分为三类（I-III），其中I类 PI3K 由 PI3Kα、PI3Kβ、PI3Kδ 和 PI3Kγ 四种亚型组成。在胰腺癌细胞中，压缩诱导的 PI3K 激活促进涉及自分泌自刺激回路的迁移表型。在乳腺癌细胞中，PI3Kβ 的体内过表达使未转化的细胞对 YAP/TAZ 诱导的致癌性敏感。重要的是，PI3K 通路是癌症中最常见的异常激活通路之一。PIK3CA （编码 PI3Kα）的基因改变导致 PI3K/AKT 通路的组成型活性，组成型 PI3K/AKT 激活与胰腺癌的不良预后相关。

最近的证据表明，在所有促肿瘤信号通路中，I 类 PI3K 似乎在对压缩应力的适应性反应中起关键作用。因此，靶向 PI3K 小分子抑制剂可能是消除这种适应性反应并导致癌细胞死亡的相关疗法。为了检验这一假设，法国图卢兹第三大学及图卢兹大学癌症研究所团队在一项实验中验证了 I 类 PI3K 活性在已知对 PI3K 抑制剂敏感的癌细胞系中的重要性，确定了 GABARAP 是一种受压缩力控制的自噬相关的常见关键分子。研究成果发表于 Life Science Alliance 期刊题为“Mechanical compressive forces increase PI3K output signaling in breast and pancreatic cancer cells”。

首先，使用 I 类 pan-PI3K 抑制剂（GDC-0941，10 μM）或对照载体处理乳腺癌（MCF-7 和 MDA-MB-231）和胰腺癌（CAPAN-1 和 PANC-1）细胞系（图1 A）。有趣的是，与对照（CTL）相比，用 GDC-0941 处理 72 小时显著降低了乳腺和胰腺细胞系中指示细胞数（简称细胞数）的结晶紫染色（图1 A ），这表明这些细胞对 pan-PI3K 抑制剂敏感。为了研究 PI3K 药物治疗后细胞数量减少所涉及的细胞死亡机制，进行了 Annexin-V/碘化丙啶（PI）细胞术实验（图1 B），发现 GDC-0941 显著增加胰腺癌细胞或乳腺癌细胞的早期或晚期凋亡（图1 B）。这些数据证实 I 类 PI3Ks（PI3Kα、PI3Kβ、PI3Kδ 和 PI3Kγ）是乳腺癌（MCF-7 和 MDA-MB-231）和胰腺癌（PANC-1 和 CAPAN-1）细胞存活所必需的。

为了研究压缩应力后 PI3K/AKT 通路在机械转导中的影响，使用压缩装置施加 200 Pa 压力压缩乳腺细胞和胰腺细胞，并量化 0、24、48 和 72 小时压缩后的细胞数量。有趣的是，pan-PI3K 抑制剂联合 200 Pa 压缩（200 Pa + GDC-0941）显著降低了 MCF-7 和 CAPAN-1 中的细胞数量，这些细胞被确定为机械反应细胞，而 GDC-0941 不影响非机械反应细胞（MDA-MB-231 和 PANC-1）中的细胞数量。此外，pan-PI3K 抑制剂联合 200 Pa 压缩显著增加了 MCF-7 乳腺癌细胞的晚期细胞凋亡和机械反应细胞 CAPAN-1 胰腺细胞的早期细胞凋亡，但不会影响非机械反应细胞 （MDA-MB-231 和 PANC-1）的细胞凋亡过程。这些数据支持，机械反应细胞中细胞数量的减少来自早期和晚期细胞凋亡过程的增加，这在非机械反应的细胞中不受影响。

图1 抑制 I 类 PI3K 后 MCF-7/MDA-MB-231 乳腺癌细胞和 CAPAN-1/PANC-1 胰腺癌细胞的细胞数量和死亡事件。

为了实验验证压缩对 PI3K 通路的影响，接下来对机械反应性细胞（MCF-7 和 CAPAN-1）和非机械反应性细胞（MDA-MB-231 和 PANC-1）施加压缩力。MCF-7 和 CAPAN-1 细胞中 200 Pa 压缩显著增加 3.5 倍和 2.7 倍的 p-AKTS473/总 AKT 比率，表明机械反应细胞中的 PI3K 激活。另外，200 Pa 压缩不显著调节非机械反应细胞 MDA-MB-231 和 PANC-1 中的 p-AKTS473/总 AKT 比率（图2）。这些实验结果表明，在 200 Pa 压缩力下通过 AKT 磷酸化评估的 PI3K 通路活化在机械反应性细胞（MCF-7 和 CAPAN-1）中主要增加，但在非机械反应性细胞（MDA-MB-231 和 PANC-1）中不受影响。

为了更深入地研究分子机制，分析了转录组数据并了解压缩应力如何改变细胞信号通路（包括 PI3K 通路）的基因特征。研究人员比较了在压缩下细胞数量减少的两种乳腺癌细胞系 MDA-MB-231 和 MCF-7 的基因表达进化，对其施加 0-8 kPa 的整体压缩并分析基因表达谱。在增加压缩应力（0）、（0.3-0.8）、（1.5-4.0）、（7.0-8.0）kPa 的情况下，PI3K-AKT 特征基因表达在 MDA-MB-231 细胞中显著过表达，表明属于这些通路的基因存在全局过表达，而在 MCF-7 细胞中 PI3K-AKT 信号基因水平已经很高。这些结果与 MCF-7 细胞的已知基因状态一致，其中 PI3Kα 通过其编码基因（PIK3CAE545K）的突变而具有组成型活性。然而，PIK3CA、PIK3CB 和 PIK3CD mRNA 表达在 MCF-7 细胞中增加，在 MDA-MB-231 细胞系中保持稳定。有趣的是，在 MCF-7 和 MDA-MB-231 细胞中，YAP/TAZ 通路基因特征并未受到压缩增加的显著影响。这些数据显示，在压缩力（0-8 kPa）下生长的细胞中，PI3K 家族成员的基因表达增加，尤其是在机械反应性 MCF-7 乳腺癌细胞中。

图2 MCF-7/CAPAN-1 机械反应细胞和 PANC-1/MDA-MB-231 非机械反应细胞中的 PI3K 信号传导。

进一步使用转录组学分析并研究 PI3K 亚型在压缩反应中的特定作用。在 MCF-7 中抑制 PI3Kα 后，1279 个基因的表达发生显著改变。在 HCC70 细胞中抑制 PI3Kβ 后，933 个基因的表达也受到显著影响。在 MCF-7 细胞中，1052 个靶标的基因表达在压缩条件下受到影响（0.3-0.8、1.5-4.0和7.0-8.0 kPa 与 0 kPa 相比）。将这些信号与在经典“癌症中的 PI3K-AKT REACTOME 信号通路”中发现的 102 个基因列表进行比较，发现 PI3Kα 和 PI3Kβ 信号与 139 个基因的调控重叠，压缩应力基因信号大多与 PI3Kα 或 PI3Kβ 信号重叠，表明压缩应力对亚型激活的影响不同。

编码自噬体 GABARAP 结构蛋白的 GABA A 型受体相关蛋白样1 基因（GABARAPL1）是 PI3Kα 信号、PI3Kβ 信号、压缩应力特征和“癌症中 PI3K-AKT REACTOME 信号通路”之间的共享靶基因。GABARAPL1 和自噬 GSEA 通路基因信号在乳腺癌细胞压缩力增加的情况下受到影响。详细地说，GABARAPL1 基因表达在PI3Kα 和 PI3Kβ 抑制后显著上调。在从（0）kPa 增加到（7.0–8.0）kPa 的压缩下，GABARAPL1 基因表达在非机械反应性的 MDA-MB-231 细胞中显著增加，但在机械反应性 MCF-7 细胞中没有增加。此外，在不断增加压缩应力的情况下，MDA-MB-231 细胞中的经典自噬 GSEA 通路基因表达显著增加，而在组成型 PI3K 激活的 MCF-7 细胞中表达降低。这些分析表明，PI3K 激活与对机械压缩力无反应的细胞所涉及的自噬过程增加之间存在关联。

为了验证转录组数据，分析压缩细胞中的自噬和 GABARAPL1 基因表达。GABARAPL1 基因表达在机械无反应的细胞中显著增加（图3），在MDA-MB-231 中增加了 2.1 倍，在 PANC-1 细胞中增加了 3.9 倍（图3 A）。这些结果通过 GABARAP 蛋白水平得到证实，MDA-MB-231 中 GABARAP 蛋白水平显著增加 5.9 倍，并且在未压缩（0 Pa）和压缩（200 Pa）PANC-1 细胞之间保持较高水平（图3 B）。相比之下，机械反应细胞中的 GABARAP mRNA 和蛋白质水平没有被显著调节，除了在 200 Pa 压缩条件下 CAPAN-1 细胞中 GABARAP 蛋白水平降低（图3 A、B），表明机械敏感细胞中的自噬过程减少。这些实验结果表明，机械反应细胞中的 GABARAP 水平保持较低或降低。然而，在压缩后，机械无反应的细胞中的 GABARAP 水平增加或保持较高水平。

图3 MCF-7/CAPAN-1 机械反应细胞和 PANC-1/MDA-MB-231 机械无反应细胞中的自噬通量。

通过免疫荧光研究自噬受体 p62/SQSTM1 的细胞定位。当自噬过程受阻时，p62/SQSTM1会在细胞内积累。实验观察了压缩下乳腺癌和胰腺癌细胞中 p62/SQSTM1 的水平和定位，发现 200 Pa 压缩增加了四种细胞系中 p62/SQSTM1 点的密度和核周定位（图3 C），而较大的 p62 点仅在机械反应细胞中观察到（图3 C）。

随后确认机械反应细胞（MCF-7 和 CAPAN-1）中的 PI3K 失活是否可能进一步阻断压缩下的自噬过程，并量化自噬通量的水平。在机械反应性细胞中，在 PI3K 抑制剂处理后，LC3B-II 自噬通量在 0 Pa 压缩下降低（图3 D）。此外，200 Pa 压缩条件在有或没有 pan-PI3K 抑制剂的情况下降低的 LC3B-II 水平甚至更高（图3 D）。然而，在机械无反应的 MDA-MB-231 细胞中，仅 pan-PI3K 抑制剂或与 200 Pa 压缩联合均没有显著影响 LC3B-II 自噬通量（图3 D）。在机械无反应的 PANC-1 细胞中，pan-PI3K 抑制剂在无压缩下降低了 LC3B-II 自噬通量，然而，200 Pa 压缩联合 pan-PI3K 抑制剂不影响 LC3B-II 自噬通量（图3 D）。这些结果表明，尽管压缩应力阻断了自噬，但 PI3K 失活恢复了机械无反应的压缩细胞中的自噬通量。

PI3K 通路活性、PI3K 抑制剂敏感性、GABARAP 表达和自噬通量在机械反应性和非机械反应性细胞中受到调节。根据细胞压缩状态，这种平衡倾向于生物过程中过度/向下激活或参与者过度/向下表达（黑色箭头）。

总之，这项研究的主要发现是高强度和静态压缩会影响机械反应性或无反应细胞的乳腺癌和胰腺癌细胞的生长速率、细胞死亡和自噬过程。PI3K 抑制加剧了这种作用，为压缩与 PI3K 抑制剂联合作为治疗干预开辟了途径。

参考文献：Di-Luoffo M, Schmitter C, Barrere EC, Therville N, Chaouki M, D'Angelo R, Arcucci S, Thibault B, Delarue M, Guillermet-Guibert J. Mechanical compressive forces increase PI3K output signaling in breast and pancreatic cancer cells. Life Sci Alliance. 2025 Jan 2;8(3):e202402854. doi: 10.26508/lsa.202402854. PMID: 39746759; PMCID: PMC11707390.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39746759/

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