研究微重力對甲狀腺腫瘤的影響

陳雪梅， 陳遠洋 綜述 周全紅 審校

（上海交通大學附屬第六人民醫院麻醉科，上海 200233）

微重力又稱零重力，是指在重力作用下，系統表觀重量遠小于其實際重量的環境。微重力提供的特殊物理環境，可明顯影響正常及病變細胞的生理功能[1-2]。宇航員在外太空長時間處于微重力狀態，機體會出現系統性生理異常，包括肌肉萎縮、骨質疏松、免疫系統受損、液體頭向分布等[3]。

最常見的內分泌惡性腫瘤甲狀腺癌，過去40年里，世界范圍的發病率有所上升。低分化甲狀腺癌有高度侵襲性和早期轉移，常導致病人不良預后。目前對復發性低分化甲狀腺癌的治療選擇非常有限。研究表明，太空失重環境對甲狀腺形態和功能產生重要影響。對處于微重力的小鼠甲狀腺分析發現，其內分泌功能紊亂和形態學發生改變[4]。太空失重環境中的小鼠甲狀腺發生一系列有害變化，表明重力對于維持甲狀腺正常生理功能的重要性[5]。已知正常細胞在微重力環境下發生的各種變化。因此，研究者借助微重力的特殊條件，希望尋找腫瘤防治，新藥靶點的新思路。

在真實失重環境下的研究機會少而珍貴。目前用地面設施來模擬微重力，主要包括快速旋轉回轉器(fast-rotating clinostat,FRC)、旋轉壁式容器(rotating wall vessel,RWV)或隨機定位機(random positioning machine,RPM)[3]等設備。FRC和RPM的工作原理相似，都是改變重力矢量的方向，從而防止沉降。RWV則是通過容器不斷繞水平軸旋轉，以提供培養基流，從而抵消重力，防止沉降。研究證明，使用地面模擬設施研究所得結果與真實微重力下結果一致，是地面微重力研究的可靠工具[6-7]。

微重力對正常甲狀腺的影響

甲狀腺的基本結構是甲狀腺濾泡，主要為濾泡上皮細胞(甲狀腺細胞)，這些細胞產生三碘甲腺原氨酸和甲狀腺素。在體內，甲狀腺細胞呈單層排列(上皮細胞)，環繞在濾泡的管腔周圍。體內、外實驗表明，微重力和超重均對甲狀腺細胞有影響。特別是微重力影響甲狀腺濾泡更明顯，表現為甲狀腺細胞肥大，并顯示單磷酸環腺苷、促甲狀腺激素受體和陷窩蛋白1(caveolin-1，CAV1)升高[8]。同時還影響甲狀腺的內分泌功能，表現為細胞游離三碘甲腺原氨酸、甲狀腺素和游離甲狀腺素分泌降低[9]。早在1979年，發現在失重的動物中可觀察到甲狀腺功能中度減退癥狀，降鈣素分泌細胞中核的數量和體積明顯減少[5]。暴露于真實外太空失重條件下的大鼠甲狀腺細胞 (fischer rat thyroid cell line-5,FRTL-5)，表現為不規則形狀、細胞染色質濃縮、細胞膜重塑，以及鞘磷脂合成酶和細胞凋亡Bax蛋白增加，且對甲狀腺激素不敏感[10]。與正常重力下的細胞相比，暴露于微重力下的甲狀腺細胞會脫離單層黏附狀態，并自行聚集成三維多細胞球體(multicellular spheroid,MCS)[11]。在RWV中培養的甲狀腺濾泡細胞不僅相互聚集成球體，且加入角質形成細胞生長因子培養后可形成人工甲狀腺類器官，其結構與天然甲狀腺組織非常相似[12]。

Nrhy-ori 3-1細胞系是人原代甲狀腺細胞，具有甲狀腺上皮細胞的形態兼特定分化能力，且無致瘤性。研究顯示Nrhy-ori 3-1細胞在RPM條件培養后形成MCS，且球狀體長時間培養未見明顯壞死跡象。白細胞介素(interleukin,IL)-6和IL-8可能參與成球的過程[13]。眾所周知，IL-6參與甲狀腺癌的血管生成和腫瘤轉移。IL-6濃度的升高可能是由于細胞表面特異性受體CD44激活，提示CD44-IL-6連接體可能在重力感知中起重要作用[14]。綜上所述，微重力可影響正常甲狀腺的形態、基因表達、蛋白質合成和內分泌功能等。

微重力對甲狀腺腫瘤細胞生物學行為和功能的影響

一、對形態學影響及可能機制

不同甲狀腺腫瘤細胞系 (ML-1、FTC-133和UCLA RO-82W-1)已開展大量不同微重力系統研究。有研究報道，模擬失重可影響細胞骨架和細胞外基質的代謝[15]，同時也影響腫瘤細胞的黏附、增殖、凋亡、侵襲和轉移[16]。在微重力下，正常黏附癌細胞的一部分會形成非球狀細胞，而另一部分則不黏附，形成多細胞腫瘤聚集體(multicellular tumor spheroid,MCTS)。MCTS中的細胞發生明顯改變，增殖行為及基因表型與正常重力下在平面生長的細胞完全不同。癌細胞在微重力條件下，脫離、成球的過程可模擬癌細胞的轉移。 目前MCS成為研究轉移、篩選新靶向藥物、開發癌癥治療新策略的寶貴模型[17]。

ML-1細胞系形成的MCTS，顯示其與凋亡相關的Fas蛋白、p53和Bax的表達量明顯增加，但抑制凋亡的Bcl-2蛋白表達減少，提示微重力條件可能誘導細胞早期凋亡[18]。近期研究表明，微重力誘導的凋亡很可能與激活細胞的NF-κB通路密切相關[19]。此外，微重力使細胞外基質蛋白的含量增加，并在多細胞球體中的細胞外基質穩定性也受微重力影響[15，20]。國內研究發現，與正常重力對照組相比，微重力抑制大鼠甲狀腺濾泡上皮細胞系增殖。進一步分析，發現停滯于G1期的細胞比例顯著升高，DNA的合成下降。研究顯示，UCLA RO-82W-1細胞系經過RPM條件培養后，細胞參與血管生成產物的基因表達上調，而參與細胞外基質形成產物的表達下調[21]。微重力條件對甲狀腺生物行為及生理功能具有明顯影響(見表1、2)。

表1 微重力對甲狀腺腫瘤細胞的影響

太空實驗可達到完全失重條件，更能顯示微重力對甲狀腺功能的影響。2011年，神舟8號試驗發現，甲狀腺濾泡癌細胞的增殖、黏附和生長行為發生明顯變化，細胞侵襲性的表型減弱[29]。血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，尤其是VEGFA，是驅動血管生成最重要的生長因子，參與腫瘤血管形成[30]。該研究發現，RPM和太空飛行器上培養的FTC-133甲狀腺癌細胞VEGFA的表達降低，在非黏附細胞和MCS中下調程度無差異。此外，分化型甲狀腺癌轉移病人VEGFD血清水平降低，觀察到在微重力下FTC-133甲狀腺癌細胞VEGFD基因表達增加。所有結果顯示，甲狀腺腫瘤細胞在微重力下向良性、低轉移性的表型轉變[22]。同樣，模擬微重力也抑制黑素瘤BL6-10的侵襲性[24]。

二、形成MCTS的機制

微重力促使甲狀腺腫瘤細胞形成MCTS的機制一直是研究的熱點。微重力條件下，與正常的甲狀腺細胞相比，FTC-133細胞可形成更大的MCS，同時成球速度更快。對其蛋白質組分析結果顯示，paxillin、vinculin和局灶黏連激酶表達減少，這可能有利于細胞從培養瓶底部脫離，同時細胞表達更多的結合纖連蛋白，有助細胞球體的形成[31-32]。此外，CAV1和結締組織生長因子(connective tissue growth factor,CTGF)在球狀體中的表達下調，兩者可能參與抑制MCS的形成[7]。MCS形成的相關研究及可能機制見表3。

表3 甲狀腺腫瘤細胞在真實或模擬微重力條件下形成MCS的研究

微重力條件下研究抗腫瘤藥物治療的潛在靶點

人腎皮質細胞在完全失重條件下培養6 d。其與地面對照組相比，10 000個分析基因中有1 632個發生變化。第1次發現微重力可廣泛影響體外培養細胞的基因變化[38]。基于這些發現，推測微重力條件也會引起癌細胞很多蛋白質的表達變化，可能成為新藥開發的基礎。已知地塞米松對NF-κB途徑具有抑制作用，而NF-κB轉錄因子參與甲狀腺癌的發生[39]，并可能成為晚期甲狀腺癌治療的靶點。進一步研究顯示，Src抑制劑PP2和E-cadherin抗體也對人乳腺癌MCF-7細胞成球有影響。PP2可抑制細胞成球，而E-cadherin抗體則可促進細胞成球。在微重力條件下探究可能的治療靶點是未來甲狀腺腫瘤研究的重要領域。

小 結

微重力可影響正常和惡性甲狀腺細胞的生長、增殖、遷移、細胞骨架、細胞外基質和局部黏附。與正常重力下的細胞比較，良、惡性細胞中可檢測到大量差異基因以及蛋白質合成和分泌的改變。在微重力條件下，良、惡性細胞均有形成MCS的現象。雖然MCS模型用于模擬腫瘤轉移，對其潛在機制的研究也提供關于體內癌癥進展和轉移的有價值的信息，但調控MCS形成的過程復雜，仍需更深入、系統的研究。微重力條件提供的特殊培養環境，有助于檢測差異蛋白質的變化，為篩選癌癥藥物作用靶點提供條件。

表2 微重力影響細胞變化的可能機制