肿瘤微环境因子乳酸在肿瘤细胞适应葡萄糖缺乏中的作用及其机理
The Role and Mechanism of Lactic Acidosis in Cancer Cell Adaptation to Glucose Deprivation
研究背景实体肿瘤的生长对葡萄糖具有很大的依赖性.葡萄糖缺乏情况下,肿瘤细胞将启动一系列的细胞信号通路途径,最终导致死亡.之前的报道表明,实体肿瘤由于血管发育不完善,很多区域处于营养缺乏或葡萄糖剥夺的状态.但是肿瘤细胞总是比正常细胞能更好地适应葡萄糖缺乏,这其中的机理目前并不清楚.乳酸是糖酵解以及其他代谢途径,如谷氨酰胺分解等,产生的一种细胞微环境因子,其在实体肿瘤内大量存在.长期以来它都被看成是肿瘤代谢的废物.目前为止还没有文献报道过它在肿瘤细胞适应葡萄糖缺乏中起的作用.我们提出乳酸可能可以使得肿瘤细胞抵抗葡萄糖缺乏导致的死亡.研究方法为了研究乳酸在肿瘤细胞适应葡萄糖缺乏中的作用,我们在培养基中加入20mM乳酸(pH6.7)来模拟肿瘤内的高乳酸环境.对照处理包括高乳酸钠环境(20mM乳酸钠,pH7.4)、酸性环境(用盐酸调节pH至6.7)以及正常培养对照.测定培养在以上条件下的肿瘤细胞的生长曲线、葡萄糖消耗和乳酸产生情况.使用基因芯片来分析乳酸处理后肿瘤细胞在转录水平的变化模式.然后分析了肿瘤细胞的细胞周期分布变化,以及自噬和凋亡过程的改变.最后在肿瘤移植瘤模型中使用碳酸氢钠来中和乳酸,从而将瘤内高乳酸环境转化成高乳酸钠环境,检测移植瘤生长和转移的改变.研究结果1.乳酸可以维持肿瘤细胞在无葡萄糖条件下的长期生存.当葡萄糖缺乏时,没有培养在乳酸条件下的4T1肿瘤细胞在一天内死亡90%,而有高乳酸环境存在时,肿瘤细胞在葡萄糖耗竭后10天还有10%存活.并且65天后还能检测到具有正常增殖能力的活细胞.其他肿瘤细胞也表现出同样的趋势,表明了乳酸可以维持肿瘤细胞在无糖条件下的长期生存.高乳酸钠环境并不能赋予肿瘤细胞抵抗葡萄糖缺乏的能力.酸性环境可以减轻葡萄糖缺乏导致的死亡,但是效果不及乳酸.2.乳酸维持肿瘤细胞无糖条件下长期生存的机制.基因芯片数据分析表明,在无糖和高乳酸环境下,肿瘤细胞在转录水平出现了一系列的变化,包括细胞周期、自噬、凋亡和能量平衡方面等.我们进一步进行了细胞分子水平的实验,证明了(1)乳酸可以下调细胞周期中的G1/S转变过程,将肿瘤细胞抑制在GO期,从而降低肿瘤细胞对能量和营养物质的需求.在转录水平上,G2/M检查点也被下调了,可以使得肿瘤细胞进一步聚集在GO期;(2)乳酸激活细胞的自噬过程,以重新利用胞内物质维持细胞生存.我们观察到乳酸处理后的细胞中出现典型的自噬体,自噬标志性蛋白LC3-Ⅱ出现了显著地增加,并且LC3在肿瘤细胞内部聚集成斑点状;(3)乳酸还通过维持NADPH含量和高表达抗凋亡蛋白等抑制了肿瘤细胞的凋亡.3.去掉实体肿瘤内部的乳酸环境可以抑制肿瘤的生长和转移.通过对荷瘤小鼠饲喂含0.2M碳酸氢钠的饮用水以及在肿瘤附近皮下注射5%碳酸氢钠缓冲液,可以一定程度中和肿瘤内部的高乳酸环境.结果显示碳酸氢钠处理后肿瘤生长明显变慢,肺转移灶的数量也降低.并且与对照组相比碳酸氢钠处理后肿瘤内部的坏死区域比例更大.结论结果表明,高乳酸环境可以维持肿瘤细胞在无糖条件下的长期生存.这个作用是通过将肿瘤细胞抑制在GO期以降低其对能量和营养的需求,激活自噬过程以重新利用胞内物质,抑制凋亡以避免快速死亡来实现的.这些机制共同作用使得肿瘤细胞可以抵抗葡萄糖缺乏导致的死亡.我们还提出,去除实体肿瘤内部的乳酸环境,可以抑制肿瘤的生长和转移,因而可以作为一个潜在的肿瘤治疗手段来进一步研究.
- 作者：
- 吴昊
- 学位授予单位：
- 浙江大学
- 专业名称：
- 肿瘤学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2012年
- 导师姓名：
- 胡汛
- 中图分类号：
- R730.5
- 关键词：
- 葡萄糖缺乏；乳酸；肿瘤生存；细胞周期；自噬；凋亡
- tumor；lactic acidosis；glucose deprivation；cell cycle；autophagy；apoptosis