癌癥已成為全球人類死亡的第二大原因，超過 90% 的癌癥相關死亡歸因于轉移性傳播。腫瘤細胞主要通過血行播散轉移到遠端器官。因此，循環腫瘤細胞(CTC)在血管系統中的存活對整個轉移過程的效率至關重要。

盡管各種生化因子在CTC存活和轉移中具有重要作用，但細胞具有感知機械刺激的能力，這些機械刺激可通過機械轉導轉化為生化信號。流體剪切應力促進貼壁腫瘤細胞的上皮-間充質轉化(EMT)，上皮細胞通過這一過程向間充質細胞狀態過渡，并增強細胞的運動性和癌癥干細胞(CSC)的特性。相比之下，流體剪切應力對懸浮腫瘤細胞的影響仍然知之甚少。

基于此，香港理工大學深圳研究院以及香港理工大學生物醫學工程學系的專家團隊進行了更深層次的研究，在International Journal of Molecular Sciences 上發表了題為《Fluid Shear Stress Induces EMT of Circulating Tumor Cells via JNK Signaling in Favor of Their Survival during Hematogenous Dissemination》的實驗論文。

在這項研究中，采用體外循環系統來產生生理水平的流體剪切應力，模擬血液在血管中的剪切流動。當檢測細胞活性和 EMT 表型時，將腫瘤細胞在懸浮狀態下暴露于各種水平的流體剪切應力下。通過機制研究，探討剪切介導的EMT機制，特別是c-Jun N-terminal激酶(JNK)信號的轉導機制。此外，實驗研究了剪切誘導的 EMT 和 JNK 信號通路在 CTCs在流體剪切流中存活中的作用。最后還分析了 EMT 和 JNK 信號通路與患者存活率之間的相關性。

部分實驗結果：

腫瘤細胞在血行播散過程中經歷了相當大的流體剪切應力。該實驗利用體外系統來模擬血液剪切流（圖1）。靜脈和動脈循環內的平均剪切應力分別為 0.5-4 dynes/cm2和 4-30 dynes/cm2。血管系統中 CTCs 的持續時間在 12 小時內。因此，本研究采用20 dyne/cm2范圍內的流體剪切應力和12 h內的循環時間。

圖 1

為了探討流體剪切應力對懸浮腫瘤細胞活性的影響，不同惡性程度的乳腺癌細胞在不同水平的剪切應力下循環不同的時間。結果表明，在一定剪切應力下，懸浮CTCs 的活性隨循環時間的延長而逐漸降低（圖2 a-d）。在不同時間點，20 dynes/cm2切應力下的細胞存活率明顯低于0 dynes/cm2切應力下的細胞存活率。Annexin V分析進一步證實了這些發現（圖2 e、f）。在四種乳腺癌細胞系中也觀察到類似的現象（SKBR3、MCF-7、MDA-MB-468 和 MDA-MB-231；圖2）。這些結果表明，流體剪切應力消除了大部分懸浮的 CTCs。

圖 2

其次，為了檢測流體剪切應力可能通過JNK信號通路誘導EMT表型這個假設，研究人員在剪切應力處理后檢測了 JNK 信號通路的活性。結果表明，在SKBR3、MDA-MB-468和MCF-7等多種乳腺癌細胞中，20 dyne/cm2剪切應力處理后，CTCs中JNK信號的磷酸化水平高于0 dyne/cm2的剪切應力處理（圖3 a和圖4 a、c）。免疫印跡進一步證實了JNK信號的激活，而JNK的總水平在對照細胞和剪切處理細胞之間無明顯差異（圖3 b）。
 

圖 3

圖 4

為了探討在剪切誘導的 EMT 中的作用，當乳腺癌細胞暴露于流體剪切應力時，JNK 信號通路被調節。茴香霉素，一種 JNK 激活劑，在 20 dyne/cm2 剪切應力的存在下，顯著上調間充質標志物的表達，并促進懸浮腫瘤細胞的 EMT 表型（圖3 c 和圖4 b、d）。

另一方面，JNK抑制劑SP600125在流體剪切應力下增強上皮標志物（EpCAM）的表達，同時抑制間充質標志物（Twist，N-cadherin）的表達（圖3 d和圖4 b、d）。重要的是，在 20 達因/厘米2剪切應力處理的細胞中，沉默 JNK 信號會降低 CSV+ 亞群的比例（圖3 e），而激活該通路則增加了這一比例。

這些結果表明，抑制/激活JNK信號通路可抑制/促進乳腺CTCs 中剪切誘導的EMT，提示流體剪切應力可通過JNK信號通路誘導懸浮CTCs的EMT。

實驗結論：

該研究表明，血液循環中的流體剪切應力不僅消除了大部分懸浮的 CTCs，而且通過 JNK 信號將上皮腫瘤細胞轉變為間充質狀態，并維持預先存在的間充質細胞的表型，從而促進了存活腫瘤細胞中的 EMT 表型。

重要的是，剪切誘導的 EMT 通過抑制 PUMA 的表達和激活 JNK 信號通路，促進懸浮CTCs 在血液剪切應力下的存活。

此外，EMT 基因和 JNK 基因 JUN 的表達與患者存活率低相關。

該研究發現揭示了血液循環中流體剪切應力對CTCs 的雙重影響，并為力學在腫瘤轉移中的作用提供了新的見解。

參考文獻：Xin Y, Li K, Yang M, Tan Y. Fluid Shear Stress Induces EMT of Circulating Tumor Cells via JNK Signaling in Favor of Their Survival during Hematogenous Dissemination. Int J Mol Sci. 2020 Oct 30;21(21):8115. doi: 10.3390/ijms21218115. PMID: 33143160; PMCID: PMC7663710.

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