胞外基质刚度与细胞几何形态对肿瘤起始细胞表型及粘附行为的协同调控机制研究

Tumor-initiating cells (TICs) and their microenvironment are believed to play essential roles in tumor initiation, metastasis, recurrence and prognosis. As an important component of tumor microenvironment, extracellular matrix (ECM) could regulate tumor progression by changing physical characteristics such as stiffness, and determine TICs geometry, cell architecture and mechanics with the interactions of neighbouring cells. But there is little known about the cooperative regulation roles of ECM stiffness and geometric properties on the TICs in tumor progression. In the previous study, we have found that shape change of cancer cells and hypoixa condition could stimulate cytoskeleton remodeling, induce protein expression and nuclear translocation of β-catenin and promote endothelial-mesenchymal transition (EMT). Micropatterning would be used as a tool to decipher cell morphogenesis and functions. In this project, we take a microengineering strategy to vary single cell geometry and ECM stiffness on substrates that approximate the mechanical properties of physiological/pathological tumor tissues to study phenotype and behavior changes of TICs. In addition, the expression levels, distribution and activation of critical proteins in Integrins- FAK-Rho GTPases pathway and the regulation of Cav-1 mediated internalization of integrins would be studied to explore the biomechanical mechanism of ECM stiffness and cell geometry cooperative regulating TICs behaviors. The finding of this project would help us to understand the interrelationship between ECM stiffness and cell geometric properties co-regulation of cell behaviors, crucial protein expression and cellular biomechanical characteristics, to know the behavior of surface/interface between ECM and cells in tumor progression, to provide new experimental and theoretical basis for cancer treatment.

肿瘤起始细胞及其微环境在肿瘤发生、转移、复发及预后中起着重要作用。肿瘤微环境中细胞外基质不但通过改变刚度等物理特性调节肿瘤进程，还与相邻细胞共同作用决定肿瘤起始细胞的几何结构，但胞外基质刚度与肿瘤起始细胞几何特性在肿瘤进程中的协同调节作用却鲜有报道。前期实验发现形态改变与组织缺氧会促进肿瘤细胞骨架重排，诱导间质转化。本项目拟采用微图案技术在不同刚度基质上调控单细胞形态，研究胞外基质刚度与细胞几何形态对肿瘤起始细胞自我更新、恶性分化及间质转化等影响，从细胞粘附和力学性质改变入手，通过对整合素-FAK-Rho GTPases信号轴上关键蛋白表达、分布及Cav-1介导的整合素内化情况等探讨相关机理，从生物表/界面相互作用的视角揭示胞外基质刚度与肿瘤起始细胞细胞形态对肿瘤进程的协同调节作用规律及生物力学机制，研究结果将有助于对肿瘤生物学表/界面及力学行为的认识，为肿瘤治疗提供新的实验及理论依。

肿瘤微环境中由细胞外基质（excelluar matrix，ECM ）参与调节的物理因素-ECM刚度与肿瘤细胞几何形态的改变如何参与肿瘤进程，其对肿瘤起始细胞命运有怎样的调节作用，是生物力学的研究热点之一，可以帮助我们从生物力学角度进一步认识肿瘤进程。我们首先优化了模拟不同ECM刚度的条件与操纵细胞几何形态的方法，获得了可供模拟肿瘤进程中瘤体刚度变化梯度的聚丙烯酰胺凝胶基底和以微图案技术为基础的2D细胞几何形态操纵系统。利用模拟体系，研究了其对肿瘤细胞黏附、运动、迁移、自我更新等的改变情况。我们发现不同刚度基底可以通过Integrin-FAK-ROCK信号调节肿瘤细胞伪足的生成与运动迁移能力。较低刚度的基底不利于乳腺肿瘤细胞黏附，而生长于较高刚度基底的细胞则可以形成大量的丝状伪足与大面积的板状伪足，有利于进行间质样迁移。同时，我们还研究了其对肿瘤细胞干性的调节作用。低刚度基底上培养的人骨肉瘤细胞具有更强的自我更新与分化能力，更强的耐药性，能形成较大、较多的肿瘤细胞球；当肿瘤细胞被限定生长在微图案中后，其具有更强的自我更新能力与增殖能力。我们进一步分析了相关分子机制，发现软基底可以抑制miR-29b的表达，通过解除Spin1对PI3K/Akt/Stat3/Sox2信号的抑制来提高肿瘤细胞的干性。另外，我们还发现肿瘤细胞几何形态的控制直接参与了上皮-间质转化的调控。结合以上结果，我们认为包括ECM刚度与肿瘤细胞形态在内的物理因子是调节肿瘤进程的重要组成部分，对相关生物力学机制的充分认识将有助于预期肿瘤进程和指导临床治疗。以上成果为我们后续开展关于肿瘤微环境中的肿瘤细胞生物力学机制研究，提供了坚实的理论基础和技术储备。通过上述研究，课题组共发表了SCI全文论著7篇，投稿或撰写中SCI论文4篇，撰写中国家发明专利1项。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。