利于肿瘤干细胞扩增的基质刚度与乏氧微环境的构建及调控

肿瘤干细胞是肿瘤发生、转移、耐药及复发的主要根源，靶向肿瘤干细胞的治疗为根治肿瘤带来希望。缺乏稳定生长的肿瘤干细胞培养体系是目前制约肿瘤干细胞研究的关键问题。已有的研究表明乏氧及substrate stiffness（基质刚度）这两种微环境因素影响肿瘤细胞的增殖、转移，有利于干细胞维持未分化状态。然而目前缺乏体外模拟并能控制这两种微环境因素的培养体系。因此，本课题将针对基质刚度和乏氧这两种肿瘤微环境因素，以多糖材料为支架，以代表不同组织刚度特点的细胞，如肝癌、舌鳞癌、骨肉瘤细胞系为模型，制备不同刚度的三维支架、降低氧浓度，利用形态学观察、蛋白产物分析、基因表达、体内成瘤等检测技术，考察这两种肿瘤微环境因素的协同作用对肿瘤干细胞体外扩增的影响，构建模拟体内肿瘤微环境的三维类组织培养体系，为实现肿瘤干细胞的组织特异性、高效体外扩增提供理论和技术基础。

肿瘤干细胞被认为与肿瘤发生发展、侵袭和转移具有密切的关系，其生物学特性受到所处微环境的调控。基质刚度和乏氧是两个重要的微环境因素。本课题通过调控海藻酸钙凝胶的基质刚度和环境氧气浓度，考察三维生长条件下基质刚度和乏氧两个微环境因素对肿瘤干细胞生物学行为的影响并对调控机制进行探索。研究发现：.1）利用Box-Behnken设计方法，获得对海藻酸钙胶珠弹性模量进行预测的回归模型。该模型提示海藻酸钙浓度是影响凝胶基质刚度的关键因素。根据该模型可制备出涵盖体内大部分组织基质刚度的胶珠。.2）通过表征凝胶微球的粒径、表面和内部的结构以及通透性，阐明了基质刚度对凝胶物理性质的影响:随着基质刚度的增加，海藻酸钙胶珠的表面粗糙度增加，通透性下降，粒径无变化。.3）在三种基质刚度海藻酸钙胶珠中（21kPa，70kPa，105kPa），随着基质刚度的增加，舌鳞癌细胞的增殖速度下降。70 kPa胶珠中舌鳞癌干细胞比例最高，耐药性、转移能力及成瘤性均最强。平面培养中参与基质刚度调控肿瘤细胞生物学行为的信号通路，如FAK-ERK、F-actin等不参与三维体系中基质刚度对细胞的调控，但EMT以及HIFs表达随基质刚度改变而发生变化，提示三维体系中基质刚度对肿瘤细胞生物学行为的调控过程与二维体系显著不同。.4）在基质刚度条件下添加乏氧条件，发现在21 kPa胶珠中舌鳞癌干细胞的比例随着氧浓度增加而降低；而在70和105 kPa胶珠中，氧浓度的变化不影响舌鳞癌干细胞比例。在21%和10%氧浓度下，70 kPa胶珠中舌鳞癌干细胞比例最高，而当氧浓度低至5%时，21 kPa胶珠中舌鳞癌干细胞比例最高。而对于肝癌细胞，无论在正常氧浓度还是乏氧条件下，肝癌干细胞相关基因表达及耐药性均在105 kPa胶珠中最高，且乏氧能够加剧肝癌细胞的耐药性。. 本课题按时完成了课题申请时提出的全部研究计划和内容。