骨骼是一個機械敏感器官，它不斷地利用機械負荷作為主要線索進行自我重塑。骨細胞是骨基質中最豐富的細胞類型，它們充當機械傳感器并誘導負荷驅動的骨重塑。雖然機械負荷通過廣泛的信號通路激活許多負荷敏感基因，但機械刺激對腫瘤-骨細胞通訊的潛在影響知之甚少。
骨是乳腺癌最常見的轉移部位。已知腫瘤細胞和骨吸收破骨細胞之間的相互作用會誘導惡性前饋循環，其中骨溶解反應被 PTHrP 和 TGFβ 之間的相互作用循環放大。除了與破骨細胞的相互作用外，腫瘤細胞還被骨髓和 ECM 中的化學引誘劑（如膠原蛋白和蛋白多糖）吸引。骨細胞介導的負荷效應可能與直接接受機械刺激的腫瘤細胞中觀察到的不同。基于此，哈爾濱醫科大學藥學院藥理學系、印第安納大學-普渡大學印第安納波利斯分校生物醫學工程系、北京協和醫院進行了合作研究，文章為《Skeletal loading regulates breast cancer-associated osteolysis in a loading intensity-dependent fashion. Bone Res》。該實驗在體外和體內探索了在有無機械刺激的情況下，骨細胞和遷移性乳腺癌細胞之間的相互作用。這項研究使用了乳腺癌細胞系 MDA-MB-231 及其 TMD 細胞（小鼠異種移植）變體、人原代乳腺癌細胞和小鼠乳腺癌細胞系 4T1、4T1.2 和 EO771。為了誘導體外機械刺激，在峰值剪切應力為 0.25 Pa 或 1 Pa 的條件下，將平行板之間的振蕩流以 1 Hz 應用于 MLO-A5 骨細胞。然后用 MLO-A5 衍生的條件培養基 (CM) 或 MLO-A5 流體流動處理的條件培養基 (FFCM) 處理腫瘤細胞。采用小鼠脛骨骨溶解模型，分別在脛骨注射 EO771 和 4T1.2 小鼠乳腺腫瘤細胞后，對兩種小鼠品系 C57BL/6 和 BALB/c 施加脛骨負荷（振蕩壓縮負荷）。每日負荷條件為正弦 2 Hz ，峰間負荷為 1 N、2 N 和 5 N，持續 5 分鐘。
腫瘤細胞系和原發性乳腺癌細胞對 1 Pa 和 0.25 Pa 流體流動的反應
為了進一步評估對 CM 和 FFCM 的反應，實驗采用了其他細胞系和原代人乳腺癌細胞。1 Pa 的 FFCM 上調 4T1 乳腺腫瘤細胞以及兩種原發性乳腺癌細胞中的轉錄因子 Snail（圖1 a）。EO771 和 4T1.2 乳腺腫瘤細胞對 A5 CM 的反應減少了傷口愈合（圖1 b、c）。在這些細胞系中，Snail 在 1 Pa 時被 A5 CM 下調并被 FFCM 上調（圖1 d）。總之，在檢測的六種類型的乳腺腫瘤和乳腺癌細胞中，CM 和 FFCM 的反應是一致的。使用兩種水平的剪切應力（0.25 Pa 和 1 Pa）檢測流體流動強度是否改變了流動敏感基因（如 p-Src 和 Snail）在 TMD 細胞、4T1.2 細胞和 EO771 細胞中的遷移行為或表達水平，（圖1 e–g）。當 A5 骨細胞接受低水平流體流動（0.25 Pa）時，腫瘤細胞傷口愈合受到抑制，p-Src 和 Snail 下調。相反，在 1 Pa 剪切應力下，FFCM 刺激傷口愈合并提高 p-Src 和 Snail 的水平。在 A5 骨細胞中，TGFβ 和 OPN 的表達也根據流動強度而改變（圖1 h）。0.25 Pa 剪切應力增加 OPN（骨橋蛋白），而1 Pa 減少。
在脛骨內注射 EO771 或 4T1.2 細胞后，實驗以三種強度（1、2 和 5 N 負荷）對 C57BL/6 或 BALB/c 小鼠施加脛骨負荷。該實驗結果觀察到 C57BL/6 小鼠每天脛骨負荷為 1 N 減少了脛骨近端小梁骨的降解。具體說，BV/TV、Tb.n（小梁數）和 BMD（骨密度） 顯著增加。相比之下，C57BL/6 小鼠的脛骨負荷為 5 N，刺激了小梁骨的骨溶解，脛骨內注射 4T1.2 細胞和 5 N 負荷的 BALB/c 小鼠情況一致。在具有 2 N 負荷的 C57BL/6 小鼠中未觀察到顯著影響，而向 BALB / c 小鼠施用 1 N 負荷可防止脛骨中的骨質流失。然而，對 C57BL/6 小鼠施用 5 N 負荷不僅會損壞近端脛骨，還會損壞遠端股骨。值得注意的是，5 N 負荷并未顯著損害 BALB/c 小鼠的股骨遠端。H&E 染色組織學圖像顯示，與假負荷對照組相比，5 N 負荷的在 BALB/c 小鼠脛骨近端呈現顯著的骨損傷。在脛骨近端，5 N 的負荷降低了骨面積比并增加了腫瘤面積比。微損傷的品紅染色表明，在 5 N 負荷下腫瘤誘導的溶骨樣本的脛骨近端皮質骨中的微裂紋數量增加。
血清 TGFβ、D-二聚體、膽固醇和基因表達的負荷依賴性調節
為了將體外流體流動驅動的基因調控與體內負荷驅動的反應聯系起來，實驗分析了血清中選定標志物水平以及骨髓中代謝和 EMT 相關基因的表達。ELISA 結果顯示，5 N 負荷增加血清中的 TGFβ 和 D-二聚體。值得注意的是，FFCM 在 1 Pa 時使 TGFβ 升高，而 D-二聚體是血栓的標志物，表明溶骨性骨的病理負荷。因為甲羥戊酸途徑導致膽固醇產生，實驗分析了 C57BL/6 小鼠的血清膽固醇水平。1 N 負荷降低了膽固醇水平，但 5 N 負荷增加了膽固醇水平。骨髓衍生細胞的蛋白質印跡分析顯示，在 1 N 負荷下 OPN 水平升高，5 N 負荷下降低。相反，在 1 N負荷下 PPARγ、TGFβ、Snail 和 p-Src 的水平降低，5 N 負荷下增加。總的來說，這些結果表明中等水平的機械刺激（體外 1 Pa 剪切應力和體內 5 N 負荷）促進 EMT 相關基因，如 TGFβ、Snail 和 p-Src 的表達，而低水平刺激（體外 0.25 Pa 剪切應力和體內 1 N 負荷）則抑制這些基因的表達。
總之，這項研究表明，在存在或不存在機械刺激的情況下，骨細胞-腫瘤通訊對腫瘤細胞行為產生了顯著不同的影響。通過質譜法鑒定的 OPN 在 A5 CM 和 FFCM 以及負荷和非負荷脛骨的骨髓中差異表達，并且至少在一定程度上是腫瘤細胞中 Src-Snail 調節軸反應的原因。腫瘤-骨細胞信號轉導的結果表明，預防與乳腺癌相關的骨轉移的策略可能受益于骨骼的機械負荷，但應仔細監測負荷強度。參考文獻：Fan Y, Jalali A, Chen A, Zhao X, Liu S, Teli M, Guo Y, Li F, Li J, Siegel A, Yang L, Liu J, Na S, Agarwal M, Robling AG, Nakshatri H, Li BY, Yokota H. Skeletal loading regulates breast cancer-associated osteolysis in a loading intensity-dependent fashion. Bone Res. 2020 Feb 14;8:9. doi: 10.1038/s41413-020-0083-6. PMID: 32128277; PMCID: PMC7021802.原文鏈接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/32128277/
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