王 贇,胡 雯,劉理禮,楊 靜,張 濤
(空軍軍醫(yī)大學第二附屬醫(yī)院腫瘤內(nèi)科,陜西 西安 710038)
肺癌是我國發(fā)病率及病死率最高的惡性腫瘤,其中非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC)約占80%[1]。雖然腫瘤的治療已經(jīng)取得了極大的進展,但是大多數(shù)NSCLC 患者在確診時就已經(jīng)處于中晚期,且腫瘤廣泛轉(zhuǎn)移,導致患者預后較差,其中骨轉(zhuǎn)移在NSCLC 患者中的發(fā)生率約為40%,患者中位生存時間僅6 個月左右,且骨轉(zhuǎn)移帶來的劇烈疼痛以及運動能力受損,嚴重影響患者的生存質(zhì)量[2-3],因此,探究更多NSCLC 骨轉(zhuǎn)移的機制以及治療方法非常有必要。腫瘤外泌體可調(diào)控腫瘤的多種病理進程,包括轉(zhuǎn)移、復發(fā)、耐藥等[4]。研究表明,微小RNA(microRNA,miRNA)可影響腫瘤的生長、免疫逃逸及順鉑耐藥等[5-7]。外泌體miRNA 在腫瘤的診斷和治療中具有廣泛的應用前景,外泌體中多種miRNAs 都被證實具有調(diào)控NSCLC 發(fā)生發(fā)展的功能,Wang 等[8]研究表明,NSCLC 外泌體miR-17-5p 通過靶向PTEN 促進破骨細胞分化。miR-20a-5p 在NSCLC 中顯著高表達,并且可促進腫瘤血管新生[9]。但是關(guān)于miR-20a-5p 對NSCLC骨轉(zhuǎn)移的影響及機制目前尚不清楚,本文探究NSCLC外泌體中miR-20a-5p 的表達及其對骨轉(zhuǎn)移的影響及機制,以期為NSCLC骨轉(zhuǎn)移的診斷和治療提供參考。
人支氣管上皮細胞系16HBE 和人NSCLC 細胞系A(chǔ)549、PC9和H1299購自中科院上海細胞庫;小鼠單核巨噬細胞RAW264.7購自美國ATCC。TRIzol試劑盒和Lipofectamine 2000 試劑盒購自美國Invitrogen 公司;PrimeScript? RT reagent Kit和SYBR?Prime Script? RTPCR Kit 購自日本TaKaRa 公司;6 周齡的雌性Balb/c裸鼠[動物生產(chǎn)許可證號:SYXK(京)2022-0052]共25 只購自北京維通利華實驗動物技術(shù)有限公司;抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase,TRAP)染色試劑盒購自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;CD9、CD81、HSP70、SP1、CD147、GAPDH 抗體,山羊抗兔IgG購自武漢三鷹生物技術(shù)有限公司。
于37 ℃、5%CO2的培養(yǎng)箱中,將16HBE、A549、PC9 和H1299 細胞使用含10%胎牛血清的DMEM 培養(yǎng),RAW264.7 細胞使用含10%胎牛血清的RPMI-1640培養(yǎng)基培養(yǎng)。
收集細胞培養(yǎng)上清液10 mL,3 000 r/min離心10 min去除細胞和凋亡碎片,取上清使用0.22 μm 的濾膜過濾,去除細胞碎片,然后100 000 r/min離心60 min后收集的白色沉淀即為外泌體。將所收集的外泌體用10 mL 無菌PBS 重懸,100 000 r/min 離心60 min 清洗外泌體,收集外泌體沉淀,通過透射電鏡觀察外泌體的形態(tài),Western blot 法檢測外泌體標志蛋白表達。16HBE、A549、PC9、H1299 以及轉(zhuǎn)染miR-20a-5p mimic Negative Control(miR-NC)和miR-20a-5p mimic 的A549細胞外泌體分別記為16HBE exo、A549 exo、PC9 exo、H1299 exo、miR-NC exo和miR-20a-5p exo。
將A549 細胞接種于6 孔板中,待細胞生長至密度達60%時進行轉(zhuǎn)染,根據(jù)Lipofectamine 2000 說明書,將125 μL Opti-MEM 培養(yǎng)基與2 μg miR-20a-5p mimic(或miR NC)在1.5 mL 離心管中混勻,取5 μL Lipofectamine 2000 用Opti-MEM 培養(yǎng)基稀釋至125 μL,將上述兩種溶液混勻后室溫靜置15 min,6 孔板中更換為800 μL 培養(yǎng)基,然后將靜置后的混合溶液滴加至6 孔板中,混勻后于細胞培養(yǎng)箱中孵育8 h,然后更換為新鮮DMEM完全培養(yǎng)基。
將A549 和RAW264.7 細胞分別與10 μg/mL 的16HBE exo、A549 exo、miR-NC exo、miR-20a-5p exo 以及等體積的PBS 共孵育24 h,設(shè)為16HBE exo 組、A549 exo組、miR-NC exo組、miR-20a-5p exo組和PBS組。
使用TRIzol 試劑提取各組細胞及外泌體中的總RNA,根據(jù)PrimeScript ? RT reagent Kit 說明書合成cDNA,根據(jù)SYBR?Prime Script ? RT-PCR Kit 進行qRT-PCR 反應,反應程序為95 ℃ 3 min,1 次循環(huán);95 ℃ 15 s,60 ℃ 1 min,40次循環(huán)。以U6為內(nèi)參,2-ΔΔCt法計算miR-20a-5p相對表達量,引物序列見表1。
表1 miR-20a-5p和U6引物序列
將各組A549細胞用DMEM培養(yǎng)基稀釋至1×105/mL,取稀釋后的細胞溶液100 μL 接種于小室中,6 孔板中加入600 μL DMEM 完全培養(yǎng)基,小室放于板中,下層培養(yǎng)基沒過小室底部,培養(yǎng)24 h 后取出小室,清洗后底部用4%多聚甲醛固定,結(jié)晶紫染色,清洗晾干后,拍照并統(tǒng)計細胞遷移數(shù)。將上述小室更換為鋪有50 μL Matrigel 膠的小室,其余步驟同上,用于檢測細胞侵襲能力。
將RAW264.7 細胞接種于24 孔板中,調(diào)整濃度為1×105個/孔,細胞生長至匯合度達70%~80%時,將24孔板中每孔更換為含30 ng/mL 巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor, M-CSF)和50 ng/mL核因子κB 受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)的α-MEM,并根據(jù)分組加入對應的外泌體,使培養(yǎng)液中的外泌體濃度為10 μg/mL,每2 天更換1 次培養(yǎng)基,共誘導4 d,然后去除孔內(nèi)培養(yǎng)基,各孔用10%福爾馬林中性緩沖液固定5 min,清洗孔板3 次,采用TRAP 染色試劑盒染色,去離子水清洗3次,顯微鏡下觀察拍照。
將6 周齡的雌性Balb/c 裸鼠隨機分為PBS 組(A組)、16HBE exo 組(B 組)、A549 exo 組(C 組)、miR-NC exo組(D 組)和miR-20a-5p exo 組(E 組),每組5 只。各組小鼠分別注射10 μg 的PBS、16HBE exo、A549 exo、miR-NC exo 和miR-20a-5p exo,每周注射1 次,共注射4 周。注射外泌體4 周后,A549 細胞用無菌PBS 重懸并稀釋至1×106/mL,用1%戊巴比妥鈉溶液(10 mL/kg)腹腔注射麻醉小鼠,然后取100 μL A549 細胞接種于小鼠的左心室,28 d 后解剖,取小鼠的股骨和脛骨,制作病理切片觀察腫瘤細胞轉(zhuǎn)移情況。
使用石蠟包埋各組小鼠的骨組織切片,用二甲苯脫蠟,經(jīng)100%、95%、90%、80%、75%乙醇水化,蘇木素染色5 min,伊紅室溫染色2 min,去除染色液,再于90%、95%、100%乙醇中浸泡1 min,二甲苯浸泡2 次,每次1 min,中性樹脂封片后于顯微鏡下觀察。
根據(jù)蛋白裂解液說明書提取各組細胞或外泌體總蛋白,BCA 蛋白定量后,進行SDS-PAGE 凝膠電泳,穩(wěn)壓80 V,電泳40 min,待蛋白進入分離膠后調(diào)整電壓為120 V,分離90 min;分離后轉(zhuǎn)膜,穩(wěn)定電流300 mA,時間90 min;PVDF 膜與CD9、CD81、HSP70、SP1、CD147、GAPDH 抗體低溫孵育過夜,TBST 洗膜后,與山羊抗兔IgG 室溫孵育1 h,洗膜后ECL 試劑盒顯影,拍照。
采用GraphPad Prism7.0 軟件繪制圖形,采用SPSS 20.0 統(tǒng)計學軟件進行數(shù)據(jù)處理,所有數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差()表示,2 組間比較采用t檢驗。P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。
透射電鏡下觀察到A549 exo、PC9 exo、H1299 exo、16HBE exo 為具有雙層膜的囊泡樣結(jié)構(gòu),粒徑在30~100 nm(圖1a)。外泌體標志蛋白檢測結(jié)果顯示,A549 exo、PC9 exo、H1299 exo、16HBE exo 均表達CD9、CD81、HSP70(圖1b),說明A549 exo、PC9 exo、H1299 exo、16HBE exo均符合外泌體的形態(tài)和生物學特征。
NSCLC 細胞A549、PC9 和H1299 中miR-20a-5p 表達水平顯著高于其在支氣管上皮細胞系16HBE 中的表達(P<0.001),且A549 exo、PC9 exo 和H1299 exo 中miR-20a-5p 的表達高于16HBE exo(P<0.001),其中A549 細胞表達水平最高,所以選擇A549 細胞進行后續(xù)研究。與miR-NC exo 相比,miR-20a-5p exo 中miR-20a-5p 表達顯著上調(diào)(P<0.001),見圖2,獲得的miR-20a-5p exo為高表達miR-20a-5p的外泌體。
圖2 各種細胞及外泌體中miR-20a-5p表達水平比較
與PBS 組相比,A549 exo 組A549 細胞遷移和侵襲數(shù)顯著增加(P<0.001),而16HBE exo組細胞遷移和侵襲數(shù)量無顯著變化(圖3a);與miR-NC exo 組相比,miR-20a-5p exo組A549細胞遷移數(shù)和侵襲數(shù)均顯著增加(P<0.001),見圖3b,說明外泌體miR-20a-5p可促進A549細胞的遷移和侵襲。
圖3 各組細胞遷移和侵襲細胞數(shù)目比較
qRT-PCR 檢測顯示,A549 exo 組RAW264.7 細胞中miR-20a-5p 表達顯著高于PBS 組(P<0.001),而16HBE exo 組和PBS 組miR-20a-5p 比較無顯著差異(圖4a)。miR-20a-5p exo 組RAW264.7 細胞中miR-20a-5p 表達顯著高于miR-NC exo 組(P<0.001),說明外泌體可向RAW264.7 細胞轉(zhuǎn)移miR-20a-5p(圖4b)。TRAP 染色結(jié)果顯示,A549 exo 組破骨細胞形成數(shù)顯著多于PBS 組(P<0.001),16HBE exo 組和PBS 組破骨細胞形成數(shù)無顯著差異(圖4c)。與miR-NC exo 組相比,miR-20a-5p exo 組破骨細胞形成顯著增加(P<0.001),說明外泌體miR-20a-5p 可促進破骨細胞的分化(圖4d)。
圖4 外泌體轉(zhuǎn)移miR-20a-5p促進破骨細胞分化
HE 染色結(jié)果顯示,A 組和B 組骨組織骨小梁結(jié)構(gòu)完整,組織中有少量腫瘤細胞,骨髓腔相對完整,病變較少;C組小鼠骨組織附近出現(xiàn)大量腫瘤細胞,腫瘤細胞緊密排列,骨小梁顯著破壞,核漿比例嚴重失調(diào),病變顯著。E 組小鼠骨組織中腫瘤細胞面積更大,骨小梁破壞更加嚴重,病變較D 組更加顯著(圖5)。說明NSCLC 外泌體以及外泌體miR-20a-5p 可顯著促進腫瘤在小鼠體內(nèi)的骨轉(zhuǎn)移。
圖5 各組小鼠腫瘤骨轉(zhuǎn)移水平比較(×200)
Western blot 結(jié)果顯示,A549 exo 組RAW264.7細胞中Sp1 和CD147 表達顯著高于16HBE exo 組和PBS 組(P<0.001),說明A549 exo 可促進破骨細胞中Sp1/CD147 信號通路的激活。與miR-NC exo組相比,miR-20a-5p exo 組RAW264.7 細胞中Sp1 和CD147 表達亦顯著上調(diào)(P<0.001),說明外泌體通過轉(zhuǎn)移miR-20a-5p 促進Sp1/CD147 信號通路的激活(圖6)。
圖6 各組細胞Sp1和CD147表達水平比較
NSCLC 是高發(fā)的惡性腫瘤,其發(fā)病機制尚不明確,但有研究指出,NSCLC 的發(fā)病與吸煙、二手煙、不良飲食習慣、生活環(huán)境等密切相關(guān)[10]。NSCLC 惡性程度高,患者在確診時往往已經(jīng)處于中晚期,其5年生存率不足5%,預后差[11]。大部分患者在癌癥晚期出現(xiàn)腫瘤骨轉(zhuǎn)移,嚴重影響生活質(zhì)量,因此探究NSCLC 骨轉(zhuǎn)移的機制,對其治療至關(guān)重要。外泌體是由大多數(shù)細胞分泌的胞外囊泡,由于攜帶多種遺傳物質(zhì),如DNA、miRNA、circRNA 等,可從基因?qū)用婊蜣D(zhuǎn)錄層面調(diào)控腫瘤細胞的惡性生物學行為[12-13],其中外泌體miRNA 具有廣泛的臨床應用前景,因此越來越多的研究定位于外泌體miRNA。
miR-20a-5p 是近年腫瘤研究的miRNA 之一,有研究表明,miR-20a-5p 可通過誘導血管新生從而促進NSCLC的生長和轉(zhuǎn)移[9]。Yang等[14]研究發(fā)現(xiàn),miR-20a-5p可通過抑制NR4A3 表達而促進膀胱癌轉(zhuǎn)移。Cheng等[15]研究表明,miR-20a-5p 亦可通過抑制Smad4 表達而促進結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移,提示miR-20a-5p 可能是調(diào)控NSCLC 發(fā)生發(fā)展的重要分子。此外,相關(guān)研究報道,miRNAs 失調(diào)可導致肺癌的發(fā)生及骨轉(zhuǎn)移[16]。肺腺癌細胞和破骨細胞中發(fā)現(xiàn)部分miRNAs 可選擇性納入外泌體,并將其釋放到細胞外空間,是骨轉(zhuǎn)移“惡性循環(huán)”的潛在媒介[17]。然而有關(guān)外泌體miR-20a-5p 與肺癌相關(guān)的報道有限,因此本研究探究了外泌體miR-20a-5p 調(diào)控NSCLC 骨轉(zhuǎn)移的可能作用機制,發(fā)現(xiàn)miR-20a-5p 在NSCLC 細胞以及外泌體中均顯著高表達,提示miR-20a-5p 或外泌體miR-20a-5p 可能具有調(diào)控NSCLC 發(fā)生發(fā)展的作用。進一步研究發(fā)現(xiàn),與NSCLC外泌體共孵育后,A549細胞中miR-20a-5p表達顯著上調(diào);與高表達miR-20a-5p 的外泌體共孵育后,A549 細胞中miR-20a-5p 表達會進一步上調(diào),說明NSCLC 外泌體可向腫瘤細胞轉(zhuǎn)移miR-20a-5p。且與高表達miR-20a-5p的外泌體共孵育后,A549細胞的遷移和侵襲能力均顯著增加。NSCLC 外泌體通過轉(zhuǎn)移遺傳物質(zhì)調(diào)控腫瘤轉(zhuǎn)移已得到證實,Ma 等[18]研究表明,腫瘤外泌體可傳遞miR-3157-3p 而促進NSCLC 的血管新生和轉(zhuǎn)移;Kim 等[19]研究發(fā)現(xiàn),外泌體miR-1260b 可通過抑制HIPK2 從而促進NSCLC 的轉(zhuǎn)移。因此,本研究推測,NSCLC 外泌體可通過轉(zhuǎn)移miR-20a-5p進而促進腫瘤的轉(zhuǎn)移。
為了探究外泌體miR-20a-5p 是否對NSCLC 骨轉(zhuǎn)移具有調(diào)控作用,本研究將NSCLC 外泌體以及高表達miR-20a-5p 的外泌體與RAW264.7 細胞共孵育,發(fā)現(xiàn)NSCLC 外泌體作用后,RAW264.7 細胞向破骨細胞分化顯著增加,高表達miR-20a-5p 的外泌體可進一步促進破骨細胞的分化。研究表明,腫瘤的骨轉(zhuǎn)移是腫瘤細胞先通過分泌細胞因子促進破骨細胞成熟[20]。破骨細胞可破壞骨骼基質(zhì),從骨基質(zhì)中釋放出大量促進腫瘤生長的細胞因子,進而實現(xiàn)骨轉(zhuǎn)移[21]。本研究在小鼠體內(nèi)進行了驗證,發(fā)現(xiàn)接受NSCLC 外泌體的小鼠腫瘤骨轉(zhuǎn)移顯著增加,給予高表達miR-20a-5p 的外泌體小鼠腫瘤骨轉(zhuǎn)移進一步形成,說明外泌體miR-20a-5p可促進NSCLC 的骨轉(zhuǎn)移。在機制上,本研究初步探究發(fā)現(xiàn),NSCLC 外泌體誘導后破骨細胞中Sp1/CD147 信號通路被顯著激活,外泌體miR-20a-5p 亦可進一步促進破骨細胞中Sp1/CD147 信號通路的激活。Sp1/CD147 信號通路是調(diào)控腫瘤骨轉(zhuǎn)移的重要通路。Kong 等[22]研究指出,特異性Sp1 結(jié)合位點位于CD147啟動子的CpG 區(qū),Sp1 表達增加,CD147 表達上調(diào)。Wang 等[23]研究表明,在肺癌中,CD147 的表達可誘導IL-8 的分泌而促進破骨細胞的生成。因此,本研究得出,NSCLC 外泌體miR-20a-5p 可通過誘導Sp1/CD147信號通路激活進而促進破骨細胞的分化。
綜上所述,NSCLC 外泌體可通過轉(zhuǎn)移miR-20a-5p而激活Sp1/CD147 信號通路誘導破骨細胞的生成,進而促進腫瘤的骨轉(zhuǎn)移,但外泌體miR-20a-5p 的臨床應用還需進一步探究。