腫瘤的成長與發展與腫瘤微環境(TME)中的生物物理因素密切相關,包括細胞外基質(ECM)剛度。當中,在組織和細胞層面的機械參數平衡偏離于正常數值能促進癌癥的發展,例如腫瘤通常比正常組織更剛硬,因為TME的ECM的相互交聯程度會增加。此外,癌細胞增殖導致ECM對于腫瘤體積擴張產生對抗壓力,形成了周圍ECM的變形和高腫瘤硬度所產生的腫瘤內應力,并進一步促進腫瘤生長。然而,在三維空間的機械應力條件對于促進腫瘤成長的分子機制尚不清楚。
應激響應的熱休克蛋白70(Hsp70)是一類蛋白分子伴侶(Molecular chaperone),它可通過緩沖對蛋白有毒性的刺激,如熱和機械應力,維持細胞的存活率。文獻表明,機械應力的作用可上調血管平滑肌細胞和椎間盤細胞的Hsp70表達。另一份報告表明,缺乏Hsp70的乳腺癌細胞沒法在小鼠體內成瘤和進行轉移。這些發現表明,Hsp70可能在應對機械應力調節癌細胞腫瘤原性方面發揮關鍵作用。然而,據我們所知,尚無研究探究機械調控癌細胞中Hsp信號激活的分子機制。
圖1剛硬水凝膠的約束應力激活包裹在里的癌細胞的Hsp70信號通路,從而上調其生存、增殖和干性特征。
基于上述,華南理工大學生物醫學科學與工程學院邊黎明教授團隊通過制造了基于透明質酸的水凝膠,調控其剛度從軟(~2kPa)至硬(~100 kPa),以研究ECM硬度對癌細胞生長和致腫瘤性的影響(圖1a)。成果表明,包裹在剛硬的水凝膠的癌細胞顯展現更好的細胞增殖率和形成更大的細胞球體,而較軟的水凝膠里的癌細胞則較少。通過酶降解來軟化水凝膠,導致癌細胞球體擴大和細胞核大小增加,表明對癌細胞有高限制應力。這種機械應力通過激活TRPV4-PI3K/Akt-HSF1信號途徑,上調了Hsp70的表達和相關的干性標記,從而促進該癌細胞于小鼠體內的腫瘤生長和轉移能力(圖1b)。總括來說,該團隊的發現提供了關于水凝膠的機械應力對腫瘤生長和發展的重要機制,以及對于腫瘤治療的關鍵分子靶點(Hsp70)。
該工作以“Mechanical manipulation of cancer cell tumorigenicity via heat shock protein signaling”為題發表在《Science Advances》上(Sci. Adv. 2023, 9 (27), eadg9593)。文章第一作者為香港理工大學助理教授(研究)王兆康和香港理工大學博士后殷伯翰博士,文章共同通訊作者為華南理工大學生物醫學科學與工程學院張琨雨與邊黎明教授。
原文鏈接:https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adg9593
邊黎明教授2021年獲聘教育部長江學者特聘教授,入職華南理工大學生物醫學科學與工程學院,現任學院副院長。邊教授長期致力于發展先進納米材料與水凝膠材料在生物醫學領域的應用,并且逐漸建立了從基礎材料學,生物醫學研究到醫療應用研究的多方向的深度研究。邊教授課題組近期在高水平學術期刊發表多篇論文,相關詳細內容可查閱邊教授實驗室網站:https://www.x-mol.com/groups/bian_lab
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