Mechanism of All-trans Retinoic Acid Inhibiting Vasculogenic Mimicry Formation in Glioma Cell Line U87
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摘要:目的
探讨全反式维甲酸(all-trans retinoic acid, ATRA)抑制U87胶质瘤细胞血管生成拟态(VM)的机制。
方法通过在细胞培养液中加入不同浓度的ATRA作用于U87细胞,利用三维培养及管道计数实验、侵袭小室实验、Western blot、明胶酶谱等方法,比较组间U87细胞的VM形成能力、细胞侵袭能力、NF-κB蛋白磷酸化程度、MMP-2活性的差别。
结果随着培养液中ATRA浓度逐渐增高,U87细胞形成VM的能力、细胞侵袭力、NF-κB蛋白磷酸化程度及MMP-2活性均逐渐减弱。
结论ATRA的下游信号通路NF-κB受到抑制导致MMP-2活性下降,从而使细胞侵袭力下降,这可能是ATRA抑制U87细胞VM形成的内在机制之一。
Abstract:ObjectiveTo investigate the mechanism of all-trans retinoic acid (ATRA) inhibiting vasculogenic mimicry (VM) formation in glioma cell line U87.
MethodsWe added different concentration of ATRA into U87 culture medium, in order to compare the VM forming ability, invading ability, NF-κB phosphorylation capacity and MMP-2 activity among groups via Tube formation tests, Transwell tests, Western blot tests and Zymography tests.
ResultsAlong with the elevation of ATRA concentration, the VM forming ability, invading ability, NF-κB phosphorylation capacity and MMP-2 activity all became weakened.
ConclusionThe mechanism of ATRA inhibiting VM formation in glioma cell line U87 might be due to the weakened cell invading ability, which was caused by decreased MMP-2 activity resulted from down-regulation of NF-κB signaling pathways.
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Key words:
- ATRA /
- Glioma /
- Vasculogenic mimicry /
- NF-κB /
- MMP-2
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0 引言
脑胶质瘤血供丰富,应用抗血管生成治疗可在早期有效抑制其生长[1]。近年来,研究者们在肿瘤中发现一种非血管内皮细胞构成的供血管道,其部分或全部管壁由肿瘤细胞构成,即血管生成拟态(vasculogenic mimicry, VM)[2]。VM可能是肿瘤耐受抗血管生成药物的原因之一,并且VM的存在与否与脑胶质瘤患者的预后相关[3]。因此,VM的形成机制值得深入研究。
目前,VM形成机制的主要信号通路框架已初步阐明。其中,基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMP)家族是该框架中的关键一环[4]。既往研究发现,VM形成与肿瘤细胞侵袭力密切相关,抑制细胞侵袭可使VM形成能力显著下降[5]。因此,MMP可能是抑制胶质瘤VM的靶点之一。MMP家族中目前发现与肿瘤侵袭关系密切的主要是MMP-2及MMP-9,在胶质瘤中其具体作用机制尚待阐明。
全反式维甲酸(all-trans retinoic acid, ATRA)是一种促分化剂,临床已用于血液肿瘤的治疗[6]。前期研究中,我们发现全反式维甲酸可以体外诱导U87干细胞分化,并抑制其形成VM的能力,但其机制尚不完全清楚[7]。既往研究发现,NF-κB是ATRA作用的下游信号通路[8],而NF-κB的磷酸化水平与MMP-2的活性相关[9]。据此推测,ATRA可能通过NF-κB通路影响U87细胞MMP-2活性,抑制胶质瘤侵袭和迁移,从而抑制VM形成。本课题通过不同浓度的ATRA作用于U87细胞,初步探讨ATRA抑制其VM形成的机制,为证实ATRA的抗VM效应提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
人脑胶质瘤细胞系U87(博士德生物公司,上海),10%胎牛血清和胰蛋白酶(美国Hyclone公司),高糖DMEM培养液(美国Gibco公司),Matrigel基质胶(356230,Becton Dickson公司,美国),Transwell侵袭小室(上海博士德生物公司)。
1.2 细胞培养及分组
细胞培养液中添加双抗,临用前加10%胎牛血清,细胞置于37℃、5%CO2培养箱中,每2天传代一次。实验设置3组,分别为阴性对照组(加入DMSO)、ATRA10组(加入ATRA 10 nmol/L,DMSO为溶剂)及ATRA100组(加入ATRA 100 nmol/L,DMSO为溶剂)。
1.3 细胞的三维培养及管道计数实验
将200 μl Matrigel基质胶于4℃过夜融化,并加入预冷的24孔板中,置于37℃培养箱中30 min固化。细胞消化离心后重悬,不加血清,接种于24孔板中,每孔接种5×104个,37℃培养24 h后用倒置显微镜(×200)随机选取5个视野,每个视野的管道总长度取平均值进行比较。
1.4 侵袭小室实验
在孔径为8 μm的Transwell小室上层预先铺好50 μl稀释后的Matrigel基质胶;将各组细胞用无血清的培养液调整细胞密度为每毫升5×105个后加入侵袭小室。按照说明书处理后,在光学显微镜下计数穿过Transwell小室聚碳酸酯膜的细胞(×200)。每组设2个复孔。
1.5 Western blot检测蛋白表达水平
冰浴中充分裂解细胞,取上清液。蛋白质经BCA法定量后电泳分离,并转移至PVDF膜上。封闭液封闭;随后分别加入一抗[兔抗人NF-κB(货号ab47336)及NF-κB p65(货号MAB72261),体积稀释比均为1:1000],二抗[辣根过氧化物酶标记的山羊抗兔IgG(体积稀释比均为1:500)],最后采用ECL试剂显色,采集图像,应用Image J软件扫描灰度值。实验重复2次。以(NF-κB p65条带灰度值与NF-κB蛋白条带灰度值的比值)×100%表示目的蛋白的相对表达水平。
1.6 明胶酶谱仪检测MMP-2活性水平
细胞无血清培养24 h,收集上清液离心,SDS-PAGE电泳直至溴酚蓝跑出胶外,洗脱、漂洗后孵育,然后染色及脱色,MMP-2显示为位于蓝色背景上的透亮带,用凝胶图像分析系统读取条带吸光度值(OD),记录数据。实验重复2次。取人脐静脉内皮细胞(HUVEC)培养上清液所跑条带为参照。
1.7 统计学方法
数据采用SPSS13.0软件进行统计,并以均数±标准差表示,组间比较采用方差分析One-way ANOVA及LSD-t检验(方差不齐时采用Games-Howell检验),P < 0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 ATRA对U87细胞形成VM的影响
三维培养及管道计数实验结果见图 1,对照组中胶质瘤细胞聚集成团,细胞团间相互连接,形成血管样结构,即血管生成拟态,每视野管道长度平均为(320.29±47.64)μm,ATRA10组管道样结构减少,每视野管道长度平均为(232.67±34.79)μm,较对照组明显减少(P < 0.001),ATRA100组管道样结构进一步减少,每视野管道长度平均为(39.27±14.33)μm,较对照组明显减少(P < 0.001),也少于ATRA10组(P < 0.001)。以上结果表明,随着培养液中ATRA浓度逐渐增高,U87细胞形成VM的能力逐渐减弱。
2.2 ATRA对U87细胞侵袭力的影响
侵袭小室实验结果见图 2,对照组中U87细胞穿过Matrigel胶的数量为每视野(84.20±11.74)个,显著高于ATRA10组(43.67±8.66)个(P < 0.001)及ATRA100组(4.73±2.71)个(P < 0.001);同时,ATRA100组细胞数与ATRA10组相比显著减少(P < 0.001)。以上结果表明,随着培养液中ATRA浓度逐渐增高,U87细胞侵袭力逐渐减弱。
2.3 ATRA对U87细胞中NF-κB信号通路的影响
Western blot结果见图 3,对照组NF-κB p65/ NF-κB为(21.05±1.18)%,显著高于ATRA10组(18.18±1.82)%(P=0.034)及ATRA100组(13.25±0.05%)(P < 0.001);ATRA100组显著低于ATRA10组(P=0.003)。以上结果表明,随着ATRA浓度逐渐增高,NF-κB磷酸化水平逐渐减低。
2.4 ATRA对U87细胞MMP-2活性的影响
明胶酶谱分析结果见图 4,HUVEC的OD值作为参照值(593.67±22.50),对照组OD值为(1409.67±101.69),显著高于ATRA10组(1046.00±52.20, P=0.035)及ATRA100组(608.33±36.94, P=0.007);同时,ATRA100组OD值与ATRA10组相比显著降低(P=0.002)。结果表明,随着ATRA浓度逐渐增高,U87细胞的MMP-2活性水平逐渐减低。
3 讨论
目前使用ATRA治疗恶性胶质瘤的基础研究获得了较好的效果[10]。研究表明,ATRA抑制肿瘤生长的机制主要有四个方面:(1)抑制肿瘤细胞的增殖:ATRA通过与其受体结合,影响下游的信号通路包括AP-1、MAPK、PI3K-Akt、Wnt/β-catenin等。付锐等[11]应用ATRA可显著抑制大鼠C6脑胶质瘤细胞增殖。(2)诱导肿瘤干细胞分化:肿瘤干细胞多处于G0期,在ATRA作用下可以进入细胞周期以对称和(或)不对称方式进行分裂增殖,从而消除其多向分化潜能。刘轶靖等[12]发现ATRA通过下调细胞因子如bFGF的分泌,阻止U87胶质瘤干细胞维持在未分化状态;(3)促进肿瘤细胞凋亡:ATRA可以下调细胞生存基因的表达,上调凋亡基因如caspase-3等的表达,从而促进细胞凋亡。Lu等[13]观察到ATRA通过上调caspase-3诱导大鼠食管癌上皮细胞凋亡。(4)抑制肿瘤血管生成和细胞的侵袭及迁移:ATRA通过下调VEGF抑制肿瘤血管生成及VM形成[7, 12],并且通过抑制MMP的表达抑制肿瘤细胞的侵袭和迁移。李海燕等[14]发现ATRA可以通过下调肝癌细胞的MMP-9表达抑制其侵袭和迁移。至今,ATRA抑制脑胶质瘤VM形成的机制尚不完全清楚。
本实验结果显示,随着ATRA浓度的增高,U87细胞形成VM的能力逐渐下降,细胞穿过Matrigel基质胶的侵袭力也逐渐下降,表明细胞侵袭力与VM形成能力相关。细胞分泌的MMP-2活性水平随着ATRA浓度升高也逐渐下降,这与其他肿瘤中ATRA的效应相似[14]。由于U87不分泌具有活性的MMP-9,我们认为MMP-2在胶质瘤的侵袭过程中起主要作用。那么,ATRA影响MMP-2活性的机制是什么呢?文献报道,胶质瘤中NF-κB信号通路异常高表达,并且伴有NF-κB的磷酸化水平升高,是MMP-2的激活通路之一[15-16]。另一方面,NF-κB是ATRA发挥作用的下游信号通路之一[17]。因此,本次实验检测了U87细胞的NF-κB磷酸化水平。结果发现,随着ATRA浓度升高,NF-κB磷酸化水平逐渐下降,表明ATRA很可能是通过抑制NF-κB信号通路,下调MMP-2活性,从而抑制U87细胞侵袭及形成VM。但是,NF-κB调节MMP-2的具体机制目前尚不完全清楚,一些学者认为可能是由于NF-κB信号通路在上皮-间充质转化效应(EMT)中起到了关键作用,使肿瘤细胞改造微环境的能力增强,体现在MMP-2分泌增多[18]。
综上所述,ATRA在体外实验中抑制U87细胞的VM形成,这与细胞侵袭力受到抑制有关,细胞侵袭力下降又与MMP-2活性下降有关。ATRA的下游信号通路NF-κB受到抑制,这可能是MMP-2活性下降的原因之一。本研究的不足之处在于仅在体外环境、单个胶质瘤细胞系上研究ATRA对VM形成的影响,对ATRA在体内环境或其他细胞系的作用都有待今后的工作中继续探讨。
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