3D基质力学微环境通过FAK-YAP/TAZ调控肿瘤耐药性的生物力学机制研究

Multidrug resistance is the most important reason for failure of breast cancer chemotherapy. It is especially significant and urgent to explore the relationship between matrix stiffness and multidrug resistance, due to the matrix stiffness is one of the vital physical factors of tumor microenvironment. The basic morphology and biological functions of cells will be limited or weakened under the traditional 2D cell culture, so it is impossible to build an effective biological model of tumor. In this project, we focus on breast cancer, we will construct 3D hydrogels biomimetic ECM dynamic microenvironment with different hardness to simulate the breast cancer tissue stiffness at different phases. We hope to explore the influence of matrix stiffness on the drug resistance of breast cancer cells and its influencing mechanism. The mechanical and biological mechanism of FAK-YAP /TAZ signal axis in regulating tumor drug resistance will be analyzed by immunofluorescence, living cell imaging and 3D cell mechanics analysis. The finding of this project would help us to understand the influence of tumor microenvironmental mechanical properties on malignant progression and transformation, to provide new experimental evidence and reference information for future cancer treatment, and also provide new targets for the development of new anti-tumor drugs.

多药耐药性是肿瘤化疗失败的主要原因，基质刚度作为肿瘤微环境的物理因素之一，探究其与耐药性关系显得尤为重要和迫切。传统的2D细胞培养无法真实模拟肿瘤细胞的真实微环境，使得细胞基本形态及生物学功能受到限制或减弱，无法构建有效的肿瘤生物学模型。本项目以乳腺癌为研究对象，旨在通过构建3D水凝胶仿生细胞外基质力学微环境，模拟体内乳腺癌不同阶段的组织刚度特征，探究基质刚度的变化对于乳腺癌细胞耐药性的影响及其影响机制。通过免疫荧光、活细胞影像和3D细胞力学分析等技术，重点分析FAK-YAP/TAZ信号轴在调控肿瘤耐药性的力学生物学机制。研究结果将有助于加深肿瘤微环境力学性质对肿瘤恶性进程和恶性转化影响的理解和认识，为阐明乳腺癌细胞的耐药机制提供新的方向，为未来肿瘤治疗提供新的实验证据和参考信息，并为抗肿瘤药物的开发提供新靶点。

肿瘤细胞外基质的力学特性对肿瘤的发展及肿瘤相关的生物学行为具有重要影响。乳腺癌的恶性演进过程中会伴随着胞外基质异常交联与沉积，从而导致胞外基质刚度不断增加。众所周知，多药耐药是导致乳腺癌治疗失败的主要原因。因此探究胞外基质刚度对乳腺癌化疗的影响极为重要。目前对于肿瘤耐药的研究大多基于体外2D水平，而2D细胞培养并不能真实模拟体内微环境和细胞生长状态，为此本项目利用光交联原理成功构建了不同刚度的GelMA 3D水凝胶细胞培养体系，用以模拟乳腺癌发展进程中组织刚度变化。其中5% GelMA （0.3 kPa）模拟健康乳腺组织，10% GelMA（3 kPa）模拟良性纤维瘤组织，15% GelMA（9 kPa）和20% GelMA（19 kPa）模拟恶性肿瘤组织。研究结果发现，三阴性乳腺癌细胞系（MDA-MB-231）生长在4种不同刚度的水凝胶中，表现出不同的化疗敏感性。其中15% GelMA中培养的细胞对化疗药物的敏感性最差。同时对其中的力学生物学机制探索发现，15% GelMA组中EGFR具有明显的入核能力，一方面可以通过EGFR与YAP形成转录共激活因子，共同进入细胞核中，调节其靶基因的表达，使药物内吞降低，从而产生耐药性；另一方面可以通过抑制Hippo通路来抑制YAP活性，调节其靶基因的表达，使药物外排增加从而产生耐药性。以上成果为我们后续开展关于肿瘤力学微环境调节肿瘤化疗效率提供了坚实的理论基础和技术储备。通过该项目的研究，课题组共发表了SCI论文全文10余篇，投稿或撰写中SCI论文5篇，本项目在执行年度内严格执行申请标书的研究计划，并结合研究进展增加了部分内容，研究结果和结论与申请书中预期一致。