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1 中国细胞生物学学报 Chinese Journal of Cell Biology 217, 39(1): DOI: /cjcb 新型悬浮细胞连续培养法分离小鼠 Lewis 肺癌干细胞及鉴定 刘永利孔亮盛孙志卫王健宇 * 邢若曦 * ( 重庆医科大学生命科学研究院, 肿瘤干细胞基础转化研究实验室, 重庆 416) 摘要该文主要探索从小鼠 Lewis 肺癌亲代细胞系 (Lewis lung carcinoma parental cell line, ) 中分离能够在体外长期培养的肿瘤干细胞 (cancer stem cells, CSCs) 的方法 在体外贴壁条件下培养 细胞, 通过连续富集悬浮生长的细胞, 经过 8 代后, 成功富集出可悬浮成球的小鼠 Lewis 肺癌干细胞样细胞株 (LLC-spheroid enrichment, ) 为了验证其干细胞特性, 我们使用荧光定量 PCR 法 (Real-time PCR) 检测表示干细胞特性的基因 Bmi1(B-cell-specific moloney murine leukemia virus insertion site 1) Cd133(cluster of differentiation-133) Aldh1a1(aldehyde dehydrogenase family 1, subfamily A1) Oct4(octamer-binding transcription factor 4) Sox2(sexdetermining region Y box 2) Nanog 和 Klf4(Kruppel-like factor 4) 的表达 6 孔板琼脂成球实验检测其增殖和悬浮成球能力 96 孔板单细胞克隆形成实验检测单个细胞的克隆形成能力 裸鼠皮下移植这一干细胞特性检测的经典模型检测其体内致瘤能力以及 C57 同源小鼠左肺原位种植模型检测其肿瘤转移能力 Real-time PCR 结果显示, 细胞中 Bmi1 的表达水平显著高于 细胞 6 孔板琼脂成球实验 96 孔板单细胞克隆形成实验表明, 细胞的悬浮成球能力和单细胞克隆能力显著高于 细胞 动物实验表明, 细胞的体内致瘤能力 肿瘤转移能力强于 细胞 该文首次运用连续 8 次悬浮聚球法分离获得大量的可稳定传代的具有干细胞特性的 细胞, 为建立肿瘤干细胞细胞模型提供了新的方法, 为进一步研究肿瘤干细胞的生物学特性奠定了基础 关键词小鼠肺癌干细胞 ; 悬浮聚球 ; Bmi1 Isolation of Lewis Lung Carcinoma Cancer Stem Cells by Consecutive Spheroid Enrichment and Characterization of Their Stem Cell Properties Liu Yongli, Kong Liangsheng, Sun Zhiwei, Wang Jianyu*, Xing Ruoxi* (Laboratory of Translational Cancer Stem Cell Research, Institute of Life Sciences, Chongqing Medical University, Chongqing 416, China) Abstract We explored a new method for isolation and identification of cancer stem cells (CSCs) which could be passaged continuously from parental Lewis lung carcinoma cells (). The LLC-spheroid enrichment () culture can be established through 8 consecutive rounds of collecting floating cells that become independent of attachment for growth and form spheroids from the cells. For stem cell 收稿日期 : 接受日期 : 国家自然科学基金 ( 批准号 : ) 和重庆市教委 215 年度科学技术研究项目 ( 批准号 : KJ15222) 资助的课题 * 通讯作者 Tel: , wjy23123@163.com; Tel: , rosiexing@163.com Recieved: September 8, 216 Accepted: December 1, 216 This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No ) and 215 Science and Technology Research Project of Chongqing Municipal Education Commission (Grant No.KJ15222) *Corresponding authors. Tel: , wjy23123@163.com; Tel: , rosiexing@163.com 网络出版时间 : :27:53 URL:

2 36 研究论文 properties verification, the expressions of pluripotent genes Bmi1 (B-cell-specific moloney murine leukemia virus insertion site 1), Cd133 (cluster of differentiation-133), Aldh1a1 (aldehyde dehydrogenase family 1, subfamily A1), Oct4 (octamer-binding transcription factor 4), Sox2 (sex-determining region Y box 2), Nanog and Klf4 (Kruppellike factor 4) were measured by Real-time PCR. The abilities of proliferation and spheroid formation were assessed by 6-wells plate agar spheroid formation assay. The ability of single cell cloning was analyzed by 96-wells plate single cell cloning assay. In vivo tumorigenicity was measured by nude mice subcutaneous transplantation which was considered as the classical model for stem cell property assessment. And tumor metastasis ability was measured by left lung orthotopic implanting in syngeneic C57 mice. The results of Real-time PCR showed that the expression of Bmi1 in was much higher than that in. The results of spheroid formation assay and cloning assay showed that spheroid formation ability and single cell cloning ability of were better than that of. The results of in vivo experiments showed that tumorigenicity and metastasis ability of were better than that of. In this work, we developed a new method for the isolation of longlasting CSCs from cultured tumor cells. This method will allow the generation of cellular models for mechanistic characterization of CSCs. Keywords mouse lung cancer stem cell; spheroid enrichment; Bmi1 癌症是一个全球性的健康难题, 它时刻威胁着我们的生命 近年来研究表明, 肿瘤的生长很可能是由一小群叫做肿瘤干细胞 (cancer stem cells, [1-3] CSCs) 的细胞所驱动 CSCs 又被叫做肿瘤起始细胞 (cancer initiating cells), 它具有正常干细胞的特征, 如自我更新 无限增殖及表达一些特殊的多能性基 [4-5] 因和表面抗原 基于肿瘤干细胞理论, 目前对于癌症治疗的失败很可能是由于没有针对肿瘤干细胞的靶向治疗, 传统的化疗药物旨在杀死增殖旺盛的肿瘤细胞 肿瘤干细胞往往呈现出高自我更新和低增殖的特性, 从而逃脱传统的治疗 有报道认为, 化疗药物的使用会促进 CSCs 的生长, 导致肿瘤的复发 [6] 和转移 因此, 阐明 CSCs 生长的机制对于癌症的有效治疗至关重要 但是, 如何分离并鉴定 CSCs 也是目前的一大难题 传统分离 CSCs 的方法包括 : (1) 利用细胞表面抗 [7-8] 原进行流式分选或磁珠分选, 流式分选方法分选纯度高 特异性强, 但是成本高 对细胞物理损伤大 无菌操作过程繁琐且易污染 获得细胞数目有限且不能连续培养或建立稳定的细胞模型用于机制研究 ; (2) 利用 ABC 转运蛋白 (ATP binding cassette transporter proteins)abcg2 亚家族 (ATP binding cassette subfamily G member 2) 外排药物的能力筛选侧群细胞 (side population cells, SP cells) 侧群细胞与 CSCs 的耐药性 [9] 有一定关系 但是, 此方法分选特异性和纯度较低, 只能分选出部分干细胞, 并且 Hochenst33342 对细胞 的毒性不可忽视 ; (3) 利用低吸附 无血清并添加特 定干细胞相关生长因子的培养基富集悬浮细胞 [1], 被认为是一种富集 CSCs 最简单 有效的方法, 但是 成本高, 所获细胞数量不多, 并且也难以在体外进行 长期传代扩增, 较难满足实验需要 近年来, 有关于 添加抑制剂富集微球体的报道 [11], 此法简单 方便 成本小, 但并不具有普适性 由此可见, 前面所述的 3 种方法的共同劣势是所获得的肿瘤干细胞不能够 长期传代扩增, 这限制了对肿瘤干细胞自我更新调 控机制以及生物学特性的基础研究 本研究为了解决肿瘤干细胞体外不能够长期传 代的问题, 首次采用普通培养皿, 在不添加特殊因子 及药物的情况下, 通过连续 8 次收集不需要贴壁而呈 悬浮生长 扩增的细胞, 成功获得了可稳定传代并成 球的小鼠 Lewis 肺癌细胞株 (LLC-spheroid enrichment, ) 我们从干细胞相关基因的表达 悬浮成球 能力 克隆能力和体内致瘤能力等方面对其进行了 干性验证, 表明所获得的 具有干细胞特性 与 其他方法相比, 此法具有方便 简单 成本低 损伤 小等诸多优点, 且所获细胞已连续传至 56 代, 为进一 步研究肿瘤干细胞的生物学特性奠定了基础 1 材料与方法 1.1 材料 细胞小鼠 Lewis 肺癌亲代细胞 (Lewis lung carcinoma parental cell, ) 购自中国科学

3 刘永利等 : 新型悬浮细胞连续培养法分离小鼠 Lewis 肺癌干细胞及鉴定 37 院上海生命科学研究院细胞库, 在含 1% 胎牛血清 1% 青霉素和链霉素 1% 两性霉素 B 的 DMEM 培养基中, 37 o C 5% CO 2 浓度的条件下培养, 3~4 d 传代 1 次 显微镜下观察, 细胞大部分贴壁生长, 少数细胞悬浮在培养基中 贴壁细胞部分呈梭形, 部分为圆形 ; 悬浮细胞多为单个, 少数可见两两成对 试剂 DMEM 培养基 青霉素和链霉素 两性霉素 B 磷酸盐缓冲液.25% 胰蛋白酶均购于 Hyclone 公司 胎牛血清购于 Excell Bio 公司 RNA 提取试剂 Trizol 逆转录试剂盒 Real-time PCR 试剂盒均购于 TaKaRa 公司 PCR 引物由生工生物工程 ( 上海 ) 股份有限公司合成 荧光定量 PCR 仪 Matrigel 均购于 BD 公司 细胞培养箱购于 Olympus 公司 离心机 培养皿均购于 Thermo 公司 琼脂粉购于 Sigma 公司 实验动物 BALB/cA-nu 裸鼠购于北京华阜康生物科技股份有限公司, 经中国医学科学院医学实验动物研究所质检合格 C57/BL6 小鼠购于重庆医科大学重庆国家生物产业基地实验动物中心, 经动物伦理委员会批准 1.2 方法 (LLC-spheroid enrichment) 细胞的建立及培养在含 1% 胎牛血清 1% 青霉素 / 链霉素 1% 两性霉素 B 的 DMEM 的培养基中培养 LLC- Parental 细胞, 待其生长至贴壁面积达 8%, 收集培养液 8 r/min 离心 5 min, 可获得培养液中悬浮细胞的沉淀 将细胞沉淀重悬后全部接种于 6 cm 培养皿, 培养液仍为含 1% 胎牛血清 1% 青霉素 / 链霉素 1% 两性霉素 B 的 DMEM 培养基 待悬浮细胞扩增至较多数量时, 再次收集悬浮细胞, 离心再接种 按照此方法重复 8 次, 可获得较多悬浮成球的细胞, 然后将成球的细胞培养在含 5% 胎牛血清 1% 青霉素 / 链霉素 1% 两性霉素 B 的 DMEM 培养基中 每 3 d 传代 1 次 Real-time PCR 检测干性基因 Bmi1(B-cellspecific moloney murine leukemia virus insertion site 1) Cd133(cluster of differentiation-133) Aldh1a1(aldehyde dehydrogenase family 1, subfamily A1) Oct4(octamerbinding transcription factor 4) Sox2(sex-determining region Y box 2) Nanog 和 Klf4(Kruppel-like factor 4) 以及上皮 间质转换 (epithelial mesenchymal transition, EMT) 转录调控因子的表达 收集 和 细胞, 用 Trizol 试剂法提取总 RNA, 并用酶标仪检测 D 26/28 D 26/23, 判断所提 RNA 的纯度及浓度, 后用逆转录试剂盒将 2 ng 总 RNA 逆转录为 cdna, 反应条件 : 37 o C, 15 min; 85 o C, 5 s; 4 o C 保存 Realtime PCR 反应体系为 1 μl, 其中包括.8 μl 引物,.8 μl cdna, 5 μl SYBR 染料, 反应条件为 : 95 o C, 3 s; 95 o C, 5 s, 65 o C, 3 s, 共 4 个循环 Tbp 作为内参基因, 用 2 ΔΔCt 法对数据进行分析 Real-time PCR 反应中所用引物由生工生物 ( 上海 ) 股份有限公司设计并合成 ( 表 1) 孔板琼脂成球实验取对数生长期的 和 细胞制成单悬液, 血球计数板计数, 并用 1 梯度稀释法稀释至 1 3 数量级备用, 在 15 ml 离心管中分别制备含.1% 琼脂的 和 细胞的培养基 3 ml, 漩涡振荡仪上混匀, 加入 3 个细胞, 再次用漩涡振荡仪混匀 每组取 1 ml 液体 ( 含 1 个细胞 ) 接种于 6 孔板, 每组设置 3 个复孔, 及时摇匀 6 孔板 待琼脂成型后在上面添加 1 ml 新鲜培养基 置于 37 o C 5% CO 2 饱和度的培养箱中培养 7~1 d, 显微镜下统计大于 5 个细胞的悬浮球的数量, 成球率 =( 悬浮球数 / 接种数 ) 1% 孔板单细胞克隆形成实验取对数生长期的 和 细胞制成单悬液, 血球计数板计数, 并用 1 梯度稀释法将细胞悬液稀释至每 1 μl 培养基中含 1 个细胞 将 2 种细胞分别接种在 96 孔板内, 每孔加入 1 μl 已稀释的细胞悬液, 显微镜下统计成功接种的孔数, 并置于 37 o C 5% CO 2 饱和度的培养箱中培养 7~1 d, 显微镜下统计长出大于 5 个细胞的克隆球的孔的数量 克隆形成率 =( 克隆球孔数 / 成功接种孔数 ) 1%, 计算出细胞克隆形成率 裸鼠皮下移植左手固定裸鼠, 右手持注射器, 在裸鼠左右两侧后大腿窝处皮下缓缓注入 1 μl ( 含 细胞 )Matrigel 胶与 ( 1 PBS(1 混合的细胞悬液, 小心拔出针头, 尽量减少液体漏出 裸鼠放回笼中继续喂养, 1 周后每 2 d 观察 1 次裸鼠, 2 周后视肿瘤生长情况解剖收集结果 C57 小鼠左肺原位种植小鼠用 1% 戊巴比妥钠溶液腹腔注射进行麻醉, 右侧卧位暴露左胸 75% 酒精消毒皮肤, 纵行剪开皮肤及皮下组织, 找到心肺交界 ( 上面白色为肺, 下面红色为心 ) 在肺上垂直进针, 进针深度为.5~.6 cm, 缓慢注入 2 ul( 含

4 38 研究论文 表 1 引物序列 Table 1 Primer sequences 序列 (5 3 ) 基因 Gene Sequence (5 3 ) 转录 Sense 反转录 Anti-sense Tbp CCG TGA ATC TTG GCT GTA AAC CAG TTG TCC GTG GCT CTC TT Bmi1 ATC CCC ACT TAA TGT GTG TCC T CTT GCT GGT CTC CAA GTA ACG Cd133 CTC CCA TCA GTG GAT AGA GAA CT ATA CCC CCT TTT GAC GAG GCT Aldh1a1 ATA CTT GTC GGA TTT AGG AGG CT GGG CCT ATC TTC CAA ATG AAC A Oct4 TTC CCT CTG TTC CCG TCA CT TGT CTA CCT CCC TTG CCT TG Sox2 AGG GCT GGG AGA AAG AAG AG ATC TGG CGG AGA ATA GTT GG Nanog TTA GAA GCG TGG GTC TTG GT CCC TCA AAC TCC TGG TCC TT Klf4 GGA CCA CCT TGC CTT ACA CA GAC TTG CTG GGA ACT TGA CC Zeb1 CTC CCA GTC AGC CAC CTT TA TAA CTC CAT CCA GCG GTA GG Zeb2 TTT CCT GCC CTC TTT GTA GC CCT TGG GTT AGC ATT TGG TG Snail1 CAC ACG CTG CCT TGT GTC T GGT CAG CAA AAG CAC GGT T Snail2 TGG TCA AGA AAC ATT TCA ACG CC GGT GAG GAT CTC TGG TTT TGG TA Snail3 ACA GCG AAC TGG ACA CAC AC GGG TAA AGG AGA GTG GAG TGG Twist1 GGA CAA GCT GAG CAA GAT TCA CGG AGA AGG CGT AGC TGA G Twist2 GTC TCA GCT ACG CCT TCT CC AGA TGT GCA GGT GGG TCC T E47 GCA AAC GAA GGC AGA GTA GG TGG TCA AGA GAC ACC TCA AGC Foxc2 AAC CCA ACA GCA AAC TTT CCC GCG TAG CTC GAT AGG GCA G Gsc1 AAC GCC GAG AAG TGG AAC AAG CCG AGT CCA AAT CGC TTT TAC C Gsc2 CGT GGA GGT CTG GTT CAA G CGG ACA GCA TCA ACA ACT CT Tbp: TATA 结合蛋白 ; Zeb1: 锌指 E 盒结合同源异形框 1; Zeb2: 锌指 E 盒结合同源异形框 2; Snail1: snail 家族锌指 1; Snail2: snail 家族锌指 2; Snail3: snail 家族锌指 3; Twist1: 碱性螺旋 环 螺旋转录因子 1; Twist2: 碱性螺旋 环 螺旋转录因子 2; E47: 转录因子 3(Tcf); Foxc2: 叉头盒 蛋白 C2; Gsc1: goosecoid 同源异形框 1; Gsc2: goosecoid 同源异形框 2 Tbp: TATA box binding protein; Zeb1: zinc finger E-box binding homeobox 1; Zeb2: zinc finger E-box binding homeobox 2; Snail1: snail family zinc finger 1; Snail2: snail family zinc finger 2; Snail3: snail family zinc finger 3; Twist1: basic helix-loop-helix (bhlh) transcription factor 1; Twist2: basic helix-loop-helix (bhlh) transcription factor 2; E47: transcription factor 3 (Tcf3); Foxc2: forkhead box C2; Gsc1: goosecoid homeobox 1; Gsc2: goosecoid homeobox 细胞 )Matrigel 胶和 ( 1 PBS(1 混合的细胞悬液, 停留 3~5 s 后缓慢拔出针头 缝合皮肤, 待小鼠苏醒 后放回笼中继续喂养 在 3 周后处死小鼠, 打开胸腔, 取出心肺, 观察左肺进针处 右肺 胸腺 胸壁有 无肿瘤形成 统计方法用 SPSS 22. 统计软件进行数 据分析, 计数以 x _ ±s 来表示, 采用 t 检验的分析方法, P<.5 为差异有显著统计学意义 2 结果 2.1 (LLC-spheroid enrichment) 富集 将 细胞中的悬浮细胞收集起来进 行单独培养, 显微镜下观察发现, 部分细胞贴壁分 化, 另一部分细胞继续悬浮生长 再将悬浮细胞收 集培养, 重复 8 次后可获得较多悬浮成球的细胞, 将 悬浮成球的细胞移入含 5% 胎牛血清的 DMEM 培养基中进行培养, 即可获得较为稳定的悬浮球 ( 图 1) 2.2 干细胞特性相关基因表达为了研究所获得 是否具有干细胞特性, 我们首先采取 Real-time PCR 的方法对经典的多能性干细胞基因 Oct4 Sox2 Nanog 和 Klf4 进行检测 结果表明, Sox2 和 Nanog 在 和 中均不表达, 而 Oct4 和 Klf4 在 中的表达低于, 且有极显著差异 (P<.1)( 图 2) 随后, 我们又检测了之前文献报道中肿瘤干细胞高表达的 [3,12-13] Bmi1 Cd133 和 Aldh1a1 基因, 结果表明, Cd133 和 Aldh1a1 在 和 中均不表达, 而 Bmi1 在 中的表达 (2.3±.6) 明显高于 LLC- Parental(.71±.1), 且有极显著性差异 (P<.1)( 图 3) 上述结果表明, 在我们建立的 中, Bmi1

5 刘永利等 : 新型悬浮细胞连续培养法分离小鼠 Lewis 肺癌干细胞及鉴定 39 A B C 12 μm 12 μm 12 μm A: 在含 1% 胎牛血清的 DMEM 培养基中培养 3 d 的 细胞 ; B: 在含 1% 胎牛血清的 DMEM 培养基中连续 8 次悬浮聚球后富集的 LLC- SE 细胞 ; C: 在含 5% 胎牛血清的 DMEM 培养基中培养 3 d 的 细胞 A: cultured for 3 d in medium containing 1% fetal bovine serum; B: collected floating cells for 8 consecutive times in medium containing 1% fetal bovine serum; C: cultured for 3 d in medium containing 5% fetal bovine serum. 图 1 不同培养条件下的 LLC 细胞形态 Fig.1 Morphology of LLC cells in different culture conditions mrna levels.1.5 mrna levels Oct4 Sox2 Nanog Klf4 P<.1. 图 2 多能性基因的 Real-time PCR 结果 Fig.2 The expressions of pluripotent genes detected by Real-time PCR 可能是重要的调控因子 2.3 在琼脂中的成球能力我们通过更为重要的肿瘤干细胞功能实验来检测所获的 细胞是否具有干性, 首先采用 6 孔板琼脂成球实验来检测 和 细胞体外单细胞悬浮成球能力 通过添加.1% 的琼脂使单个细胞悬浮于培养基中, 细胞之间的距离可基本保持不变 细胞在 CO 2 培养箱中培养 9 d 后在显微镜下统计大于 5 个细胞的悬浮球数目 结果表明, LLC- SE 细胞的悬浮球形成率 (.18±.2) 较 细胞 (.7±.3) 高, 且有极显著性差异 (P<.1)( 图 4) 琼脂成球实验表明, 较 细胞而言, 细胞具有更强的单细胞悬浮成球能力 2.4 单细胞克隆形成能力为了进一步检测 的干性特征, 我们采用 96 孔板单细胞克隆形成实验检测 和 LLC- Parental 的克隆形成能力 与琼脂成球实验相比, 单细胞克隆形成实验进一步排除了细胞群体效应的影 Bmi1 Cd133 Aldh1a1 P<.1. 图 3 肿瘤干细胞基因的 Real-time PCR 结果 Fig.3 The expressions of cancer stem cell genes Spheroid formation rate P< detected by Real-time PCR 响, 更能直接反映出单个细胞的克隆能力 结果表明, 单个 细胞的克隆形成率 (.33±.4) 高于 LLC- Parental 细胞 (.19±.5), 且有极显著差异 (P<.1), 说 明 的单细胞克隆生长能力强于 在此实验中, 我们还发现了一个有趣的现象, 图 4 克隆形成率统计结果 Fig.4 The statistical result of spheroid formation rate

6 研究论文 4 细胞形成的克隆多为规则的圆形斑, 细胞均为圆形; 而细胞形成的克隆多为散在分布 不 规则的斑, 且细胞部分为圆形 部分为梭形(图5) 这说明, 在单细胞克隆生长时可能保持着较 高的均质性, 符合干细胞生长特征 2.5 裸鼠皮下成瘤 在进行体外干性指标检测后, 我们采 用裸鼠皮下移植这一干性验证的经典模型来验证 和这2种细胞的体内致瘤能力 如图6所示, 将1 15细胞注入裸鼠皮下, 17 d裸鼠进 (A) (C) 2 μm 96 well single cell cloning ability.4 2 μm (B) 2 μm μm A: 在96孔板内用含1%胎牛血清的DMEM培养基培养8 d后形成的克隆斑的形态图; B: 在96孔板内用5%胎牛血清的 DMEM培养基培养8 d后形成的克隆斑的形态图; C: 克隆形成率统计结果, P<.1 A: cloning morphology of cultured for 8 d in medium containing 1% fetal bovine serum; B: cloning morphology of cultured for 8 d in medium containing 5% fetal bovine serum; C: the statistical analyses of cloning formation rate, P<.1. 图5 96孔板单细胞克隆形成实验检测的克隆能力 Fig.5 The cloning ability of detected by the 96-well plate single cell cloning assay (A) a b (B) a b A: 裸鼠皮下成瘤情况, 红色标记处为肿瘤; B: 瘤体大小 a: ; b: A: tumorigenicity in nude mice, tumor marked by red; B: tumor volume. a: ; b:. 图6 裸鼠皮下注入细胞17 d后的成瘤情况 Fig.6 Tumorigenicity in the nude mice injected subcutaneously with tumor cells for 17 d

7 刘永利等 : 新型悬浮细胞连续培养法分离小鼠 Lewis 肺癌干细胞及鉴定 41 (A) (C) a (B) b A: 细胞胸壁成瘤情况, 红色标记处为肿瘤组织 ; B: 细胞胸壁成瘤情况, 红色标记处为肿瘤组织 ; C: 左肺原位灶和胸壁瘤解 剖, 红色标记处为左肺进针处原位肿瘤 a: ; b: A: metastasis in thoracic wall of, tumor and metastatic foci marked by red; B: metastatic foci in thoracic wall of, tumor and metastatic foci marked by red; C: tumor in left lung and tumor cut from thoracic wall, tumor marked by red. a: ; b:. 图 7 C57 小鼠左肺注入细胞 21 d 后的成瘤情况 Fig.7 The tumorigenicity and metastasis in C57 mice with left lung orthotopic implantation for 21 d 行断颈处死并解剖, 获取皮下肿瘤块 肉眼观察结果可知, 注射 细胞的 2 只裸鼠大腿窝处的肿瘤明显大于注射 细胞的 2 只裸鼠的 而获取的肿瘤块显示, 细胞成瘤体积明显大于 细胞的 裸鼠皮下移植实验表明, LLC- SE 细胞的成瘤能力明显强于 细胞 2.6 C57 小鼠左肺原位种植成瘤为了更好地验证所获取的 细胞的癌症生物学特性, 我们采用具有正常免疫力的 C57 小鼠, 对其左肺原位植入 和 细胞 该动物模型具有更好的临床匹配性 在检测细胞致瘤能力的基础上, 还能观察到细胞的转移情况 LLC- Parental 和 (1 1 5 细胞 ) 注入 C57 小鼠左肺后 21 d 观察结果发现, 注射 细胞的小鼠, 在左肺上的原位肿瘤 在胸壁上的转移灶数目以及体积均大于注射 细胞的小鼠 ; 其中 1 只注射 细胞的小鼠在其左肺上并未发现明显的原 [14] 位肿瘤, 其原因可能是细胞在早期便发生了转移 ( 图 6) C57 小鼠左肺原位种植成瘤实验表明, LLC- SE 细胞的致瘤能力明显强于 细胞, 且表现出更强的胸壁转移能力 ( 图 7) 2.7 EMT 基因的表达 [15] [16] 之前 Mani 等和 Morel 等已报道 EMT 过程能够诱导肿瘤干细胞的产生 而上述结果表明, 我们 通过 8 次悬浮 细胞诱导获得了具有肿瘤 干细胞特性的 细胞 因此, 为了研究 EMT 过 程是否也是诱导 形成的关键因素我们采用 Real-time PCR 检测 EMT 基因 Zeb1 Zeb2 Snail1 Snail2 Snail3 Twist1 Twist2 E47 Foxc2 Gsc1 Gsc2 在 和 细胞中的表 达情况 结果表明, Zeb 家族中的 Zeb2 Snail 家族 中的 Snail1 Twist 家族中的 Twist1 Twist2 以及 E47 Foxc2 Gsc1 Gsc2 在 细胞中的表达均高于 细胞 ( 图 8) 以上结果表明, EMT 基因 有可能诱导了 细胞的形成 3 讨论本研究打破传统的表面抗原标记流式细胞分 选 侧群细胞 低吸附培养皿分离肿瘤干细胞的 方法, 首次采用连续 8 次悬浮聚球法, 成功获得干细 胞样肿瘤细胞 随后, 我们通过 Real-time PCR 6 孔板琼脂成球实验 96 孔板单细胞克隆形 成实验 裸鼠皮下移植和 C57 小鼠左肺原位种植等 实验方法检测, 结果显示, 高表达干性基因 Bmi1, 具有较强的单细胞悬浮成球能力和单细胞克 隆能力, 并具有较强的体内致瘤能力及肿瘤转移能 力, 说明我们获得的 细胞具有肿瘤干细胞特 性 更为重要的是, 此法具有简单 方便 成本低

8 42 研究论文 4 3 mrna levels 2 P<.1. 1 Zeb1 Zeb2 Snail1 Snail2 Snail3 Twist1 Twist2 E47 Foxc2 Gsc1 Gsc2 图 8 EMT 基因表达的 Real-time PCR 结果 Fig.8 The expressions of EMT genes detected by Real-time PCR 对细胞损伤小等优点, 且可能适用于各种实体肿瘤干细胞的筛选 已有报道认为, 肿瘤干细胞特性相关基因有 Oct4 Sox2 Nanog Klf4 Cd133 Aldh1a1 和 Bmi1 而本研究发现, 细胞中仅有 Bmi1 的表达高于 细胞, 但是随后的肿瘤干细胞功能验证表明, 其体外悬浮成球能力和体内致瘤能力及肿瘤转移能力均高于 细胞 Oct4 Sox2 Nanog 和 Klf4 是小鼠胚胎干细胞自我 [17-18] 更新的重要转录调控因子, 部分报道将它们的高表达作为评价干细胞样肿瘤细胞干性的重要标志 [18] 物, 但是也有部分关于肿瘤干细胞的研究认为, 它 [2] 们并非都是肿瘤干细胞的标志物 同时, 还有研究表明, 多种有干性的实体肿瘤细胞高表达 Cd133 Aldh1a1 和 Bmi1 [12,21-22] 但是, 并非所有的肿瘤干细 [2] [8] 胞都高表达以上几种基因 Tirino 等报道显示, CD133 的非小细胞肺癌细胞仍具有成球能力和致瘤能力 因此, 干细胞特征基因的表达并不能作为细胞是否具有干性的唯一评判标准 我们需要从多方面 多标志物来综合判断细胞的干性 通过连续 8 次悬浮聚球法能够成功获得干细胞样肿瘤细胞, 这令我们非常激动 但是, 对于 细胞悬浮成球能力 致瘤能力的调控机制我们仍知之甚少 研究报道显示, 多个调节 EMT 过程的转录因子, 如锌指转录因子 Snail 家族 (Snail1 Snail2 和 Snail3) Zeb 家族 (Zeb1 和 Zeb2) Twist1 和 Twist2 等都显示了调控有干 [23] 性的肿瘤细胞的致瘤能力 上皮- 间质转录调控因子在我们的细胞模型中是否也起到了相同的作用呢? 于是, 我们在 细胞中检测了 EMT 相关的转录因子基因表达情况, 发现 Zeb2 Snail1 Twist1 Twist2 E47 Foxc2 在 中的表达显著高于, 说明这几个基因很可能参与调控了 细胞的干性, 为我们进一步研究其自我更新提供了方向 肿瘤干细胞作为肿瘤靶向治疗的新方向, 需要研究与阐明的问题还有很多, 如肿瘤干细胞的来源问题 ( 普通细胞还是组织干细胞 ) 肿瘤干细胞的调控机制 (EMT 可能只是调控机制的冰山一角 ) 和肿瘤干细胞的分化问题 对于这些关键问题的解决都需要体外大量获得和培养肿瘤干细胞, 而现有的分离肿瘤干细胞的方法繁琐 成本大, 获得的肿瘤干细胞数量较少且不能连续传代培养, 本文建立的连续 8 次悬浮聚球的方法为肿瘤干细胞的分选提供了新的思路, 其最大优点在于分选出的细胞能够在体外连续培养 希望此方法能够为更多的研究者提供便捷, 在其他类型的肿瘤干细胞的分选和纯化中起到重要作用 参考文献 (References) 1 Singh SK, Hawkins C, Clarke ID, Squire JA, Bayani J, Hide T, et al. Identification of human brain tumour initiating cells. Nature 24; 432(715): O Brien CA, Pollett A, Gallinger S, Dick JE. A human colon cancer cell capable of initiating tumour growth in immunodeficient mice. Nature 27; 445(7123): Ranji P, Salmani Kesejini T, Saeedikhoo S, Alizadeh AM. Targeting cancer stem cell-specific markers and/or associated signaling pathways for overcoming cancer drug resistance. Tumour Bio 216; 37(1): Halim NH, Zakaria N, Satar NA, Yahaya BH. Isolation and characterization of cancer stem cells of the non-small-cell lung cancer (A549) cell line. Methods Mol Biol 216; 1516: Michishita M, Ezaki S, Ogihara K, Naya Y, Azakami D, Nakagawa T, et al. Identification of tumor-initiating cells in a

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