胃癌是一种高度侵袭性的常见恶性肿瘤,已成为全球第三大癌症相关死亡原因
[1]。尽管医疗技术不断改进,但由于早期症状不典型和生物学特征不确定等原因,胃癌死亡率仍居高不下
[2]。手术和综合策略(包括化疗、放疗和免疫疗法)是胃癌患者的首选方案
[2],然而,对麻醉剂的应激反应可能影响癌细胞生物学性状,加速肿瘤生长,增加转移和复发的风险,严重制约了手术疗效
[3]。七氟醚(Sevoflurane,Sev)是广泛应用于肿瘤外科手术的吸入式麻醉剂,具有麻醉效果强、可控性高等特点,可刺激胃癌等多种类型癌细胞的恶性生物学行为,故临床多联合用药降低其副作用
[4]。瑞马唑仑(Remimazolam,Rem)是一种新型超短效苯二氮䓬类麻醉剂,具有起效快、恢复迅速和血流动力学稳定等优势,但Rem无镇痛作用,需与其他麻醉性镇痛药物联合使用
[5]。有证据证实,Rem可抑制结肠癌
[6]、骨癌
[7]和胶质瘤
[8]等多种恶性肿瘤的进展。此外,Rem联合Sev可降低Sev对患者神经认知和肺功能的损伤作用
[9,10]。这些研究提示Rem可能成为降低Sev副作用的有效联合用药。但Rem对Sev促胃癌进展是否具有抑制作用尚未有研究。肿瘤的增殖和转移与其所处的微环境密切相关,肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophage,TAM)是肿瘤微环境中主要的免疫细胞,它们浸润肿瘤组织,为癌细胞提供生长和侵袭信号和条件
[11]。上皮-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是促进肿瘤侵袭和转移的关键步骤,在胃癌进展中发挥重要作用。在各种触发EMT的信号中,TAM介导的转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)/SMAD家族(smad)通路被认为是其主要诱导因子
[12]。故此,本研究拟在体外探讨Rem联合Sev是否通过诱导TAM极化,调控TGF-β/smad通路介导的EMT抑制胃癌细胞恶性进展。
1 材料与方法
1.1 实验细胞
人胃癌细胞系HGC-27和单核细胞系THP-1均购自武汉普诺赛生命科技有限公司。均在复苏后接种于含10%胎牛血清和1%链霉素/青霉素的RPMI-1640细胞培养基中,置于37 ℃,5% CO2细胞培养箱中培养。待细胞生长至对数生长期时进行后续实验。
1.2 主要实验试剂
佛波酯、IL-4和IL-13购自武汉灵捷思生物技术有限公司;七氟醚购自上海陶术生物科技有限公司;TGF-β、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α、白细胞介素(interleukin,IL)-6和IL-1β酶联免疫吸附试验(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)检测试剂盒购自上海江莱生物科技有限公司;别藻蓝蛋白偶联的分化群86(APC-CD86)和藻红蛋白偶联的分化群204(PE-CD204)抗体购自美国RD公司;CD68、CD204、精氨酸酶(arginase-1,Arg-1)、诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)、E-钙黏蛋白(E-cadherin)、波形蛋白(Vimentin)、锌指结构E-box-结合同源框1(zinc finger E-box binding homeobox1,ZEB1)、扭曲因子(Twist)、磷酸化SMDA家族成员2(p-smad2)、磷酸化SMDA家族成员3(p-smad3)和SMDA家族成员2/3(smad2/3)抗体购自美国Abcam公司。
1.3 M2-TAM诱导建立
参考文献方法
[13],在THP-1细胞中加入终浓度为320 ng/mL的佛波酯刺激12 h为M0型TAM(M0-TAM),然后,加入佛波酯(100 ng/mL)+IL-4(20 ng/mL)+IL-13(20 ng/mL)刺激48 h,诱导为M2型TAM(M2-TAM)。采用Western blot检测巨噬细胞标志物CD68和M2型巨噬细胞标志物CD204表达,验证M2-TAM的构建。
1.4 Transwell共培养体系构建
将孔径为0.4 μm的Transwell小室放入6孔板中,HGC-27细胞(5×105个)接种于下室,M0-TAM或M2-TAM接种于上室,于37 ℃,5% CO2细胞培养箱中培养24 h建立上下双层细胞共培养体系。
1.5 实验分组及处理
取对数生长期HGC-27细胞接种至细胞培养皿,分为对照组、Rem组、Sev组和Rem+Sev组,分别进行处理进行如下实验。
实验一:Rem组和Rem+Sev组分别在培养基中滴加Rem(10 μmol/L)
[8]。将Sev组和Rem+Sev组细胞培养板放置在一个有入口和出口连接器的无菌密闭容器中,麻醉机连接到入口端口,并连接到Sev蒸发器,用于向容器中提供Sev气体(与95% O
2/5% CO
2混合)。容器中的Sev浓度由连接到容器出口的气体监测器监测,维持2%Sev,Sev组和Rem+Sev组细胞持续暴露4 h。对照组不予任何处理。采用集落形成实验和Transwell实验检测Rem联合Sev对人胃癌细胞增殖、迁移和侵袭的影响。
实验二:将各组细胞按照实验一方法处理后,与M0-TAM或M2-TAM共培养,用于分析Rem联合Sev诱导的M2巨噬细胞极化对胃癌细胞恶性生物学行为的影响。采用流式细胞术检测M0-TAM极化状态;ELISA法检测共培养体系上清液中TGF-β、IL-10、TNF-α和IL-1β含量;集落形成实验和Transwell实验检测M2巨噬细胞极化对人胃癌细胞增殖、迁移和侵袭的影响;Western blot检测各组共培养体系巨噬细胞极化及HGC-27细胞EMT和smad通路相关蛋白表达。
1.6 集落形成实验检测细胞增殖
将对数生长期的各组细胞培养12 h后,用含10%胎牛血清(FBS)的培养基替换上清液,在37 ℃细胞培养箱中孵育2周。弃去培养基,磷酸盐缓冲液(PBS)清洗,4%多聚甲醛固定30 min,0.2%结晶紫染色30 min,清洗后光学显微镜下拍照并统计各组集落数。
1.7 Transwell实验检测细胞迁移和侵袭
使用具有或不具有Matrix基质胶的Transwell腔室测定来观察细胞迁移和侵袭能力。具体操作:在用相关药物或干预处理各组细胞24 h后,将每组约1.5×104个细胞均匀接种于无血清的Transwell上室中(侵袭实验需在上室中提前加入预冷的基质胶,迁移实验无需加入基质胶),下室加入600 μL含有10%FBS的完全培养基。培养48 h后,取出上室并用PBS洗涤,4%多聚甲醛固定15 min并用结晶紫染色10 min。去除未从膜顶部迁移/侵入的细胞,在光学显微镜下观察细胞并拍照计数。
1.8 流式细胞术检测巨噬细胞极化
与各组HGC-27细胞共培养的M0-TAM细胞处理24 h后,用胰蛋白酶消化收集细胞。用预冷PBS洗涤细胞2次,制备1×106个/mL细胞悬液。将细胞悬液(100 μL/管)按照说明书分别用APC-CD86和PE-CD204抗体染色。将细胞轻轻混合,避光放置15 min。采用流式细胞仪在1 h内检测M1-TAM(CD86阳性)和M2-TAM(CD204阳性)极化率。
1.9 ELISA法检测共培养体系上清液中TGF-β、IL-10、TNF-α和IL-1β含量
各组HGC-27细胞与M0-TAM细胞或M2-TAM细胞共培养后,收集培养基上清液,利用TGF-β、IL-10、TNF-α和IL-1β ELISA检测试剂盒,并按照说明书方法,检测HGC-27与M0-TAM共培养体系中IL-10、TNF-α和IL-1β含量以及HGC-27与M2-TAM共培养体系中TGF-β含量。
1.10 Western blot检测各组共培养体系巨噬细胞极化及HGC-27细胞EMT和smad通路相关蛋白表达
各组HGC-27细胞与M0-TAM细胞共培养后,收集巨噬细胞和HGC-27细胞,在含有蛋白酶和磷酸酶抑制剂的500 μL放射免疫沉淀试验缓冲液中裂解,然后在4 ℃、13 500 r/min条件下离心25 min。二喹啉甲酸法检测上清液中的蛋白浓度。用8%~12%十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳对总蛋白进行分离,然后将分离蛋白转移到PVDF膜上。将膜在含有5%脱脂牛奶的PBS溶液中室温阻断2 h,加入巨噬细胞极化因子Arg-1(1∶1 000)和iNOS(1∶1 000),EMT相关蛋白E-cadherin(1∶500)、Vimentin(1∶1 000)、ZEB1(1∶500)和Twist(1∶300),smad通路相关蛋白p-smad2(1∶300)、p-smad3(1∶300)和smad2/3(1∶500)的一抗4 ℃孵育过夜。次日,与相应二抗室温孵育1 h。蛋白表达通过奥德赛红外成像系统进行扫描和定量,以β-actin为内参。
1.11 统计学分析
采用SPSS 26.0统计学软件对数据进行分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差(X±S)表示,两组间比较采用独立样本t检验;多组间比较采用单因素方差分析(one-way,ANOVA),组间两两比较采用LSD-t法。以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 Rem联合Sev对胃癌细胞增殖、迁移和侵袭的影响
集落形成实验和Transwell检测结果显示,与对照组比较,Rem组HGC-27细胞集落形成数、迁移细胞数和侵袭细胞数降低(
P<0.05);Sev组HGC-27细胞集落形成数、迁移细胞数和侵袭细胞数升高(
P<0.05);与Sev组比较,Rem+Sev组HGC-27细胞集落形成数、迁移细胞数和侵袭细胞数均减少(
P<0.05,见
图1、
表1)。
2.2 M0和M2-TAM构建及鉴定
Western blot检测M0-TAM标志物CD68和M2-TAM标志物CD204蛋白表达,结果显示,与THP-1细胞相比,M0-TAM中CD68蛋白表达显著升高(0.86±0.06
vs 0.13±0.02,
P<0.05)。与M0-TAM相比,M2-TAM中CD204蛋白表达明显增多(1.04±0.04
vs 0.24±0.05,
P<0.05,见
图2)。
2.3 Rem联合Sev对巨噬细胞极化的影响
M0-TAM和HGC-27细胞共培养后,与对照组相比,Rem组CD86
+巨噬细胞占比增多(
P<0.05),CD204
+巨噬细胞占比降低(
P<0.05);与对照组相比,Sev组CD86
+巨噬细胞占比降低(
P<0.05),CD204
+巨噬细胞占比增多(
P<0.05);与Sev组比较,Rem+Sev组CD86
+巨噬细胞占比增多(
P<0.05),CD204
+巨噬细胞占比降低(
P<0.05,见
图3、
表2)。
2.4 Rem联合Sev对巨噬细胞极化标志物和炎症因子分泌的影响
M0-TAM和HGC-27细胞共培养后,与对照组相比,Rem组巨噬细胞中Arg-1表达和培养基上清液中IL-10含量降低(
P<0.05),iNOS表达及TNF-α和IL-1β含量增多(
P<0.05);与对照组相比,Sev组巨噬细胞中Arg-1表达和培养基上清液中IL-10含量增多,iNOS表达及TNF-α和IL-1β含量降低,差异均有统计学意义(
P<0.05)。与Sev组比较,Rem+Sev组巨噬细胞中Arg-1表达和培养基上清液中IL-10含量降低,iNOS表达及TNF-α和IL-1β含量增多,差异均有统计学意义(
P<0.05,见
图4、
表3)。
2.5 Rem联合Sev对M2型TAM与胃癌细胞共培养后癌细胞增殖、迁移和侵袭的影响
M2-TAM与HGC-27细胞共培养后,与对照组比较,Rem组HGC-27细胞集落形成数、迁移细胞数和侵袭细胞数均减少(
P<0.05);与对照组相比,Sev组HGC-27细胞集落形成数、迁移细胞数和侵袭细胞数均增多(
P<0.05);与Sev组比较,Rem+Sev组HGC-27细胞集落形成数、迁移细胞数和侵袭细胞数均减少(
P<0.05,见图5、
表4)。
2.6 Rem联合Sev对M2型TAM与胃癌细胞共培养后EMT的影响
M2-TAM与HGC-27细胞共培养后,与对照组相比,Rem组HGC-27细胞E-cadherin表达升高(
P<0.05),Vimentin、ZEB1和Twist表达降低(
P<0.05);与对照组相比,Sev组HGC-27细胞E-cadherin表达降低,Vimentin、ZEB1和Twist表达升高,差异均有统计学意义(
P<0.05);与Sev组比较,Rem+Sev组HGC-27细胞E-cadherin表达升高,Vimentin、ZEB1和Twist表达降低,差异均有统计学意义(
P<0.05,见
图6、
表5)。
2.7 Rem联合Sev对M2型TAM与胃癌细胞共培养后TGF-β产生和smad通路相关蛋白表达的影响
M2-TAM与HGC-27细胞共培养后,与对照组相比,Rem组细胞上清液中TGF-β含量及HGC-27细胞中p-smad2和p-smad3表达升高(
P<0.05);与对照组相比,Sev组细胞上清液中TGF-β含量及HGC-27细胞中p-smad2和p-smad3表达降低(
P<0.05);与Sev组比较,Rem+Sev组细胞上清液中TGF-β含量及HGC-27细胞中p-smad2和p-smad3表达升高(
P<0.05,见
图7、
表6)。
3 讨论
尽管有大量关于麻醉剂和癌症进展的研究,但关于麻醉剂对癌症预后和治疗的影响,仍缺乏确凿的证据。由于某些麻醉剂可能会影响术后癌细胞转移和扩散等生物学功能
[3],围手术期对癌症复发和转移的影响已迅速引起人们的兴趣。一些证据表明,与单纯全身麻醉相比,麻醉剂联合使用可改善癌症手术患者的结局
[9,10],但其对术后临床结局的具体影响机制尚未明确。
尽管Sev作为胃癌手术的常规吸入麻醉剂具有显著的循环稳定性优势,但其能够促进肿瘤细胞EMT及转移潜能的不良作用引发临床担忧
[2]。与此形成鲜明对比的是,Rem作为新型苯二氮䓬类药物,不仅展现出快速代谢特性和精准镇静效果
[14,15]。Rem更在抗肿瘤领域表现突出,可显著降低结肠癌细胞迁移能力
[6],抑制骨肉瘤肺转移灶形成
[7],并在胶质瘤模型中使侵袭相关基因表达下调
[8]。值得注意的是,围术期麻醉策略优化研究表明,静脉-吸入麻醉联用可协同调控肿瘤微环境,使术后转移复发风险降低
[16]。此外,最近的一些研究表明,Rem与多种麻醉药物联合使用时,在显示出协同作用的同时,能够显著降低麻醉副作用
[17-19]。基于此,本研究创新性提出Rem-Sev联合用药假说,旨在通过拮抗Sev的促癌信号实现治疗协同。实验结果显示,单独使用Sev对胃癌细胞增殖、迁移和侵袭显示出显著的促进作用,但与Rem联用时,可有效改善Sev的促癌作用,这与Wang等
[6]对Rem在胃癌中的研究结果一致。这提示Rem-Sev联用方案不仅保留了吸入麻醉的血流动力学优势,更通过靶向关键致癌通路为胃癌患者提供了降低术后转移风险的潜在策略。
肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)作为胃癌恶性进展的核心调控网络,其免疫抑制特性的重塑已成为精准治疗的重要靶标。TAM作为TME中占比高达30%~50%的免疫浸润群体,通过表型可塑性(M1/M2极化)动态调控肿瘤生物学行为:M1型通过分泌TNF-α等促炎因子激活抗肿瘤免疫,而M2型则通过释放IL-10、TGF-β等因子促进血管生成及细胞外基质重塑,进而驱动EMT进程
[11]。围术期应激状态下,麻醉药物可深度干预TAM极化方向,癌细胞激活M2-TAM可通过分泌诱导血管生成、抑制免疫反应和重塑细胞外基质的因子,促进肿瘤生长和转移
[12]。此外,M2-TAM可以促进细胞因子和生长因子的分泌,导致EMT信号通路激活,其允许癌细胞获得侵袭和迁移特性以诱导转移
[12]。因此,TAM激活和极化对肿瘤进展的影响已被确定为肿瘤潜在的治疗靶点。Zhang等
[20]研究发现,灵芝皂苷可以通过调控信号转导与转录激活因子6磷酸化抑制肿瘤微环境中M2-TAM极化,进而改善胃癌恶性进展。易志荣等
[21]发现,莪连颗粒可通过抑制肿瘤相关巨噬细胞M2型极化及核转录因子- kappa B信号通路治疗胃癌前病变。此外,近期有研究证实,Sev能够激活IL-6/HO-1通路,促进肿瘤相关巨噬细胞M2型极化和前列腺癌肺转移
[22]。因此,抑制Sev诱导的M2-TAM极化可能是改善其副作用的有效靶点。在本研究中,当Rem与Sev联合使用时,在巨噬细胞和胃癌细胞联合培养中显著增加了抗肿瘤M1-TAM占比,并降低了促肿瘤M2-TAM占比。这通过巨噬细胞与胃癌细胞共培养后Arg-1(M2-TAM标记物)的表达减少和iNOS(M1巨噬细胞)的表达增加以及M1和M2-TAM相关细胞因子的变化证实。我们推测Sev可通过促进M2-TAM与胃癌细胞的相互作用进一步增强转移,结果发现Sev促进了与M2-TAM共培养的HGC-27细胞的迁移和侵袭,而Rem和Sev联合治疗有效地抑制了M2-TAM在胃癌细胞转移中的促进过程。这一发现与灵芝皂苷调控信号转导与转录激活因子6通路抑制M2极化、莪连颗粒靶向核转录因子-kappa B信号重塑TME的作用机制形成功能互补
[20,21],提示围术期麻醉药物联用策略可通过多靶点协同调控TAM表型,为阻断胃癌术后转移提供全新干预窗口。
EMT作为肿瘤侵袭转移的核心驱动力,其与M2-TAM的调控网络存在密切关联。研究证实,M2-TAM可通过分泌TGF-β激活肿瘤细胞smad2/3信号轴,驱动E-cadherin表达下调及Vimentin表达上调,进而重塑细胞骨架动力学并增强转移潜能
[23]。Cai等
[23]在结直肠癌模型中发现,M2-TAM来源的TGF-β可使肿瘤细胞侵袭力提升,且该效应可被smad2/3抑制剂完全逆转。Wang等
[24]进一步证实,非小细胞肺癌微环境中M2-TAM诱导的TGF-β1水平升高通过促进smad2/3核转位,使肿瘤细胞肺转移灶数量增加。这些研究突出了TGF-β/smad信号传导在M2-TAM与癌细胞之间相互作用中的关键作用。基于此,本研究创新性探究了麻醉药物对TGF-β/smad-EMT调控轴的干预效应:在与M2-TAM共培养的胃癌细胞中,与单独的胃癌细胞相比,TGF-β产生增加,而Rem与Sev组合显著降低了TGF-β的产生。此外,该组合通过降低这些共培养的癌细胞中p-smad2和p-smad3的表达来抑制TGF-β/smad信号传导和EMT。这些研究结果提示,Rem与Sev联合给药时,通过重编程肿瘤细胞中M2-TAM极化,阻断TGF-β/smad信号传导,从而有效抑制EMT。
综上所述,Rem联合Sev可能通过促进TAM向M2型极化,抑制胃癌细胞中TGF-β/smad信号通路介导的EMT进程,从而控制癌细胞增殖、侵袭和转移。但本研究尚存在一定的局限性,例如,本研究仅进行了体外研究,尚需进行在体动物实验和临床研究进行进一步验证。此外,Rem在临床麻醉中并非需要全程持续输注,其在临床上能否在患者体内达到实验中的有效血浆浓度有待证实。
山东省医药科技项目(202205031071)