乳腺癌在全球癌症发病率位居第二,占女性癌症死亡率榜首
[1]。紫杉醇(PTX)是乳腺癌的一线治疗药物,但PTX耐药是临床乳腺癌治疗失败相关的主要死亡原因之一
[2]。常见的导致PTX耐药性的因素有ABC-转运蛋白、microRNA或某些基因的突变
[3]。长链非编码RNA (lncRNA)是一段长度大于200个核苷酸的基因片段,调控多个基因的表达,在多种肿瘤中异常表达,因此本文从LncRNA NEAT1基因突变入手,以期实现调控乳腺癌PTX耐药。
核旁斑组装转录本1(LncRNA NEAT1)是长链非编码RNA,在细胞核中的亚细胞结构旁斑中起着重要的结构和功能作用,通过多种机制参与基因表达的调节
[4],通过调控不同的信号通路和基因表达,在多种细胞应激过程中发挥重要作用
[5, 6],已被证明与癌症的多种化疗耐药性密切相关
[7, 8]。因此,NEAT1可能是各种癌症的潜在治疗靶标。肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)是肿瘤微环境中的重要组成部分,通过创建免疫抑制微环境在肿瘤发展和耐药性中发挥重要作用
[9]。化疗耐药通常与IL-6和前列腺素E2水平升高相关,两者都是导致M2巨噬细胞极化的炎症介质
[10],认为化疗耐药与肿瘤微环境中巨噬细胞极化状态有关。NEAT1在M2型巨噬细胞极化细胞中上调
[11],NEAT1作为PTX耐药与巨噬细胞极化的共同调控基因,其相关作用的分子机制尚未有报道,因此,探究NEAT1调控巨噬细胞极化机制对研究PTX耐药的发生和治疗有重要意义。
层状双氢氧化物(LDH)是一类二维结构的阴离子粘土材料,它的层间距可以根据需要进行调整,以适应不同大小的基因分子,从而实现高负载能力,在基因递送系统中具有独特的优势
[12]。目前常见的LDH负载物有化疗药物、抗生素、疫苗等
[13],但是LDH负载基因药物少有报道。本文首次用LDH负载LncRNA si-NEAT1,探讨LDH@si-NEAT1对乳腺癌紫杉醇耐药和巨噬细胞极化的相互作用,研究LDH负载si- NEAT1对紫杉醇耐药乳腺癌细胞增殖、迁移、凋亡及多药耐药分子表达及TAMs极化的影响及作用机制,为临床上乳腺癌紫杉醇耐药治疗带来新方向。
1 材料和方法
1.1 主要材料与试剂
人HER2阳性乳腺癌细胞株SKBR3、人急性白血病单核细胞Thp-1(中国科学院上海细胞生物学研究所);SKBR3-PR紫杉醇耐药细胞株为课题组前期构建。转染试剂si-NEAT1、miR-133b mimics及inhibitor(吉玛);多药耐药蛋白(MRP)、PD-L1(proteintech);乳腺癌耐药蛋白(BCRP)(abclonal);IL-4(Bio-techne)。
1.2 细胞培养与条件培养基的收集
乳腺癌SKBR3、SKBR3-PR、Thp-1细胞均置于细胞培养箱(37 ℃,5% CO2)中。将人单核细胞Thp-1通过200 ng/mL的佛波酯(PMA)诱导24 h后贴壁分化成M0型巨噬细胞,再加入20 ng/mL的IL-4使M0型巨噬细胞诱导为M2型巨噬细胞。进行巨噬细胞相关实验时,需在2 mL适当密度的Thp-1细胞悬浮液中加入200 ng/mL PMA,共培养24 h 细胞贴壁生长后继续后续实验。肿瘤细胞接种在10%胎牛血清的RPMI 1640培养基中,并在细胞培养箱中培养至70%~90%的密度,收集细胞培养基后用1000 r/5 min离心后去除细胞碎片和死细胞就得到细胞上清,构成完全培养基即SKBR3-PR CM。
1.3 荧光定量PCR实验
根据实验步骤提取细胞总RNA,用逆转录试剂盒(GeneCopoeia)逆转录cDNA,采用 SYBR Green PCR Master Mix进行qPCR扩增,引物由上海生工公司合成,序列见
表1。
1.4 Western blotting实验
将六孔板中的细胞收集起来后离心,弃上清后用裂解液在冰上裂解30 min,离心后吸取上清,按照比例加入上样缓冲液混匀,在100 ℃下煮蛋白15 min。经过蛋白定量后进行上样,在120 V条件下电泳90 min,然后在冰盒中200 mA条件下转膜2 h将蛋白转印到聚偏二氟乙烯(PVDF)膜上,转膜结束后用TBST缓冲液清洗,用5%胎牛血清封闭2h,经TBST缓冲液清洗10min ×3次后将PVDF膜转移到提前配置的一抗抗体盒中,4℃过夜,抗体按照推荐比例稀释MRP(Mouse 1∶5000),BCRP(Rabbit 1∶1000),PD-L1(Mouse 1∶5000),GAPDH(Mouse 1∶50000)(Rabbit 1∶50000),次日将PVDF膜经TBST缓冲液清洗10 min×3次后,用相应的二抗37 ℃孵育2 h后显影,使用ImageJ软件分析蛋白表达水平。
1.5 划痕愈合和Transwell实验
划痕愈合实验:将SKBR3-PR细胞均匀接种于六孔板中,待细胞密度至80%~100%时,用无菌10 μL白色枪头受力均匀地在每孔中做“十”字划痕,用PBS清洗后加低浓度血清培养基继续培养,显微镜下在不同时间段(0、24、48 h)拍照,根据划痕面积变化计算细胞迁移率。Transwell实验:将细胞悬液加入上室,下室加入高血清浓度培养基,培养24h后统计穿过膜的细胞数。
1.6 流式细胞仪检测凋亡实验
收集细胞后用PBS重悬,然后分别在每管中先加入5 μL Annexin V-FITC染液,再加入3 μL PI。常温下避光孵育30 min,上机,用flowJo软件分析细胞凋亡率。
1.7 免疫荧光
用共聚焦小皿将细胞培养至适宜密度后,首先用4%多聚甲醛溶液固定10 min,PBS缓冲液洗涤后室温下使用2%胎牛血清封闭液封闭1 h,PBS洗涤后接着在4 ℃下孵育相应一抗BCRP(Rabbit 1∶100)、CD163(1∶100)、CD206(1∶100)过夜,经过PBS洗涤后,室温下孵育用异硫氰酸荧光素(FITC)荧光标记的二抗1 h,再次洗涤,使用DAPI对细胞核进行染色,并在避光条件下孵育10 min,用PBS洗涤液清洗。最终,样本通过蔡司高级倒置荧光显微镜成像,并分析结果。
1.8 LDH@si-NEAT1的制备及表征验证
在充满氮气的三颈烧瓶中37 ℃下加入用4 mL的脱碳去离子水溶解混匀的NaOH搅拌5 min,再加入用10 mL脱碳去离子水溶解的摩尔比为3∶1的MgCl2·6H2O与AlCl3·6H2O的金属盐溶液并混匀,于37 ℃下剧烈搅拌 30 min,倒入高速离心管中,4 ℃,4000 r/10 min离心3次,弃去上清后使用脱碳水清洗。将清洗后的产物置于反应釜。100 ℃下反应16 h,待冷却后12 000 r/min,4 ℃离心1 h,弃去上清,所得沉淀即为 LDH 纳米载体。取制备的LDH纳米载体进行称量后置于干燥箱中烘干,用适量焦碳酸二乙酯(DEPC)水溶解后超声1 h,按比例与si-NEAT1在室温下用涡旋振荡器振荡孵育1 h混匀,即可得到LDH@si-NEAT1。制备2%琼脂糖凝胶和LDH@si-NEAT1复合物,LDH与si-NEAT1比例1∶1至40∶1,100V电泳20 min后用Chemidoc XRS+采集图像系统成像分析。DEPC水分别溶解LDH与LDH@ si-NEAT1,马尔文粒度电位测定仪测定平均粒径与Zeta电位;使用Tensor 27光谱仪和D8 Advance设备进行X射线衍射分析;将LDH与LDH@si-NEAT1的悬浊液超声20 min左右分散后风干,在80 kV加速电压下,在HT7700 透射电子显微镜上采集二者透射电镜(TEM)图像。
1.9 LDH@ si-NEAT1细胞摄取、溶酶体逃逸及溶酶体通透性实验
使用终浓度为100 nmol/L的游离si-NEAT1-Cy3或100 nmol/L LDH@ si-NEAT1-Cy3 的加药工作液,避光孵育,检测细胞摄取LDH@ si-NEAT;溶酶体逃逸实验用完全培养基配制的终浓度为2 μmol/L的Lyso-tracker探针加药工作液,并避光孵育3h。每个皿加入400 μL 4%多聚甲醛固定15 min后PBS清洗细胞,加入10 μg/mL DAPI溶液避光孵育10~15 min,PBS清洗细胞。在激光共聚焦显微镜下拍摄分析。使用Acridine Orange染色液测定溶酶体膜通透性,在激光共聚焦显微镜下,通过绿色(Em=488 nm、Ex=520 nm)和红色(Em=543 nm、Ex=603 nm)荧光通道观察并拍摄细胞。
1.10 统计学分析
所有实验均进行了3次独立重复。使用Graph Pad prism7.0进行统计学分析。计量资料以均数±标准差表示,两组间比较采用两独立样本t检验,多组间的比较采用单因素方差分析。P<0.05时认为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 LncRNA NEAT1调控乳腺癌细胞紫杉醇耐药
Western blotting和免疫荧光实验表明,SKBR3-PR中MRP与BCRP表达上调(
P<0.05,
图1A、B);qRT-PCR检测NEAT1表达上调(
P<0.01,
图1C);Western blotting显示si-NEAT1 后MRP和BCRP的表达降低(
P<0.001,
图1D);流式细胞术检测si-NEAT1,细胞凋亡率升高(
P<0.01,
图1E);划痕实验显示si-NEAT1组的伤口愈合率降低(
P<0.001,
图1F);Trnswell实验显示穿膜细胞数减少(
P<0.001,
图1G)。
2.2 LncRNA NEAT1通过调控miR-133b影响乳腺癌细胞紫杉醇耐药性
qRT-PCR显示在SKBR3-PR细胞中miR-133b表达下调,si-NEAT1后miR-133b表达上调(
P<0.001,
图2A、B);Western blotting实验表明MRP、BCRP表达明显降低(
P<0.05,
图2C),免疫荧光显示耐药蛋白荧光强度减弱(
图2D),划痕实验和Transwell实验结果表明,伤口愈合率和穿孔细胞数降低(
P<0.001,
图2E、F),流式细胞术结果显示凋亡率升高(
P<0.01,
图2G)。
2.3 LncRNA NEAT1调控miR-133b靶向PD-L1影响乳腺癌紫杉醇耐药
SKBR3-PR中PD-L1表达上调(
P<0.05,
图3A),干扰NEAT1表达后,PD-L1表达下调
P<0.001,
图3B);StarBase网站预测结果表明miR-133b与PD-L1直接结合(
图3C);Western blotting 检测PD-L1在si-NEAT1组和miR-133b mimics组表达下调(
P<0.01,
图3D、E);在si-NEAT1的SKBR3-PR细胞内转入miR-133b inhibitor,Western blotting(
图3F)、qRT-PCR(
图4A)、免疫荧光(
图4B)结果显示MRP、BCRP以及PD-L1蛋白、PD-L1 mRNA表达上调(
P<0.05),耐药蛋白的免疫荧光强度增强,划痕(
图4C)、Transwell(
图4D)和流式细胞术(
图4E)结果显示细胞伤口愈合率和穿孔数回升(
P<0.001)、凋亡率下调(
P<0.05)。
2.4 LncRNA NEAT1调控TAMs 极化
在高倍显微镜下观察Thp-1细胞和经过PMA刺激24 h后的Thp-1细胞(
图5A)可见Thp-1细胞经过PMA刺激后由悬浮变成贴壁状态,且细胞形态不规则并可见少量突起;qRT-PCR检测M0型巨噬细胞标志物CD68在Thp-1+PMA中上调(
图5B,
P<0.05);qRT-PCR检测M0型巨噬细胞与SKBR3共培养后M2型巨噬细胞标志物Arg-1、CD163和IL-10的表达低于IL-4刺激组(
P<0.001),而与SKBR3-PR细胞共培养后Arg-1、CD163和IL-10上调(
P<0.01)(
图5C、D);免疫荧光结果显示M0型巨噬细胞与SKBR3细胞CM共培养,CD163与CD206免疫荧光强度无影响,而与SKBR3-PR细胞CM共培养后CD163与CD206免疫荧光强度增加(
图5E);Timer2.0数据库分析发现在乳腺癌中NEAT1的表达水平与巨噬细胞浸润呈正相关(
P<0.01,
图5F);在Thp-1中加PMA刺激后,分别与PBS、IL-4和SKBR3-PR细胞CM共培养,qRT-PCR结果显示与SKBR3-PR上清共培养后NEAT1表达上调(
P<0.05,
图6A);随后将经PMA刺激后与再经IL-4刺激的Thp-1与si-NEAT1的紫杉醇耐药乳腺癌细胞CM共培养,经qRT-PCR检测结果显示Arg-1、CD163和IL-10的表达下调(
P<0.05,
图6B),免疫荧光结果显示CD163与CD206荧光强度减弱(
图6C),qRT-PCR结果显示miR-133b表达上调而PD-L1表达下调(
P<0.01、
P<0.001,
图6D),Western blotting结果显示PD-L1的表达下调(
P<0.05,
图6E)。
2.5 层状双氢氧化物LDH负载si-NEAT1纳米材料的构建
LDH的合成与LDH@si-NEAT1的搭载过程如
图7A所示;琼脂糖凝胶电泳筛选LDH与si-NEAT1的最佳质量搭载比为30∶1(
图7B);马尔文粒度仪分析LDH@ si-NEAT1的粒径分布为292 nm,分散系数(PDI)为 0.193,zeta电位为+27.2 mV(
图7C、D);透射电镜结果显示,LDH与LDH@si-NEAT1均呈现规则的六边形片状结构(
图7E);X-射线衍射仪实验结果显示LDH@NEAT1表现出与 LDH 相似的特征衍射图谱(
图7F);UV实验结果表明LDH@si-NEAT1在240 nm左右处有特征峰(
图7G);细胞摄取实验显示单独的si-NEAT1-Cy3进入SKBR3-PR细胞2 h后荧光淬灭,而LDH@si-NEAT1-Cy3处理2 h后即可被细胞摄取,且24 h仍有橙色荧光信号被检测出(
图8A);溶酶体逃逸实验结果显示LDH@si-NEAT1被SKBR3-PR细胞摄取后,在4 h时即可在SKBR3-PR细胞内部显示出明显的橙色荧光,并与溶酶体的绿色荧光重叠(
图8B);吖啶橙染色检测溶酶体膜通透性,共聚焦拍摄结果显示用LDH孵育的SKBR3-PR细胞显示出微弱红色荧光与清晰的绿色荧光,即溶酶体膜通透性增加,部分吖啶橙染液进入,而未经LDH处理的细胞溶酶体膜通透性不变(
图8C)。
2.6 LDH@si-NEAT1调控乳腺癌细胞耐药与M2型巨噬细胞极化
将LDH@si-NEAT1转入SKBR3-PR细胞,划痕、Transwell和流式细胞术实验结果显示,SKBR3-PR细胞的伤口愈合率和穿孔数降低,凋亡率增加(
P<0.001,
图9A~C),qRT-PCR实验结果显示miR-133b表达上调,PD-L1表达下调(
P<0.001,
图9D),Western blotting结果显示MRP和BCRP以及PD-L1蛋白的表达下调(
P<0.05,
图9E),免疫荧光结果显示耐药蛋白荧光减弱(
图10A);然后将LDH@si-NEAT1的紫杉醇耐药乳腺癌细胞CM与经PMA和IL-4刺激后的Thp-1细胞共培养,qRT-PCR检测结果显示Arg-1、CD163、IL-10表达下调(
P<0.01,
图10B),免疫荧光结果显示CD163、CD206的荧光强度减弱(
图10C),qRT-PCR(
图10D)和Western blotting(
图10E)实验结果表明miR-133b表达上调(
P<0.001),而PD-L1表达下调(
P<0.05)。
3 讨论
癌症化疗耐药性已成为临床肿瘤治疗一大难题,而在TME中细胞耐药性通常与TAMs极化状态有关。在乳腺癌的免疫微环境中,TAMs通常呈现出M2型极化状态,这种状态与免疫抑制效应相关,能够促进肿瘤细胞的增殖和逃逸免疫系统的监视
[14]。因此,针对TAMs的极化状态进行干预,可能成为克服乳腺癌耐药性的一种潜在策略。LncRNA NEAT1已被证明与癌症的化疗耐药性密切相关
[15]。实验室前期研究发现NEAT1在紫杉醇耐药乳腺癌细胞中显著升高
[16],本研究结果显示NEAT1在SKBR3-PR细胞中高表达。NEAT1通过调节细胞凋亡、细胞周期、药物转运和代谢、DNA损伤修复、上皮-间充质转化、自噬、癌症干细胞特性和代谢重编程来诱导癌细胞对化疗药物的耐药性
[17]。有研究表明异质核糖核蛋白A2B1和NEAT1协同作用,通过Wnt/β-catenin信号通路增强胃癌细胞的干性,并加剧胃癌中的化疗耐药性
[18];在p53野生型乳腺癌细胞中,敲低NEAT1可部分挽救MED12缺失引起的5-氟尿嘧啶化疗耐药
[19];在晚期肺腺癌细胞中NEAT1通过miR-338-3p靶向AKR1C1抑制细胞铁死亡进而促进晚期肺腺癌细胞吉非替尼耐药性、增殖、迁移和侵袭
[20];本研究通过实验发现在SKBR3-PR中si-NEAT1后,MRP、BCRP水平下调,伤口愈合率和穿孔数降低,凋亡率增加,提示si-NEAT1可抑制紫杉醇耐药乳腺癌细胞的耐药性和生物学活性,这与Wang等
[21]的研究结果相一致。NEAT1与巨噬细胞极化也有关。将小鼠骨髓单核细胞向巨噬细胞M1和M2a方向极化,结果发现NEAT1和IL-33在M2a巨噬细胞中的表达水平显著上调
[11],这提示NEAT1的表达与巨噬细胞极化成正相关。本研究发现NEAT1在经PMA和IL-4刺激后的Thp-1细胞中显著上调,并且将转染si-NEAT1的紫杉醇耐药乳腺癌细胞上清收集起来与经PMA和IL-4刺激后的Thp-1细胞共培养,M2-TAMs标志物Arg-1、CD163和IL-10的表达下降,说明沉默乳腺癌细胞中NEAT1表达,可抑制M2-TAMs极化,此结果也与前人研究结果一致
[22]。因此作者认为NEAT1是乳腺癌紫杉醇耐药和TAMs极化的治疗靶点,但是具体机制仍未有研究报道。
NEAT1也可作为针对许多microRNA的海绵或竞争性抑制剂,它还通过捕获含有副斑点的NEAT1中的蛋白质发挥作用,从而调节转录。在胰腺癌细胞内敲低NEAT1可通过上调miR-146b-5p/TRAF6水平抑制胰腺癌细胞的增殖、迁移和侵袭
[23];在宫颈癌细胞中,NEAT1通过调节miR-377/FGFR1轴抑制Hela细胞活力和迁移,促进细胞凋亡
[24]。以上报道表明NEAT1可以调控microRNA靶向蛋白调控细胞生物学活性与功能。有文献报道NEAT1与miR-133b有结合位点
[16],在SKBR3-PR中si-NEAT1后,miR-133b的表达升高。本研究发现过表达miR-133b后PD-L1表达降低,提示二者可能有调控关系,且生物信息学发现miR-133b与PD-L1有结合位点。在舌鳞状细胞癌中,沉默CXCR4抑制了细胞顺铂耐药性,而敲低miR-133b则逆转了这种耐药性
[25],说明miR-133b与细胞耐药性有关;本研究在过表达miR-133b后,SKBR3-PR细胞的MRP和BCRP表达水平下调,说明miR-133b抑制SKBR3-PR细胞耐药性。在非小细胞肺癌中,A549细胞经双硫仑(DSF)处理后PD-L1表达增加,因此抗PD-L1和DSF的联合处理后,导致A549细胞发生铜死亡从而抑制了细胞活力
[26]。本实验发现PD-L1在SKBR3-PR细胞中上调,提示PD-L1与癌细胞化疗后耐药性也有关,且si-NEAT1后miR-133b表达水平上调而PD-L1下调,过表达miR-133b后PD-L1下调,说明NEAT1、miR-133b与PD-L1之间存在调控关系。目前未有研究报道NEAT1通过miR-133b靶向PD-L1调控细胞耐药性与TAMs极化。本实验研究发现在SKBR3-PR细胞中si-NEAT1后miR-133b上调,PD-L1下调,过表达miR-133b后PD-L1下调,提示NEAT1靶向miR-133b调控PD-L1,并通过在沉默NEAT1的耐药细胞中转入miR-133b inhibitor进行的回复实验进一步证明了此结论。si-NEAT1的CM与M2-TAMs共培养后,miR-133b上调和PD-L1的表达下调,巨噬细胞Arg-1、CD163和CD206表达下调,说明在巨噬细胞中通过si-NEAT1/miR-133b/PD-L1通路可以抑制巨噬细胞极化。综上,实验结果表明在SKBR3-PR细胞中,通过沉默NEAT1释放miR-133b,可以降低PD-L1的表达水平,从而抑制紫杉醇耐药乳腺癌细胞的活性,并降低紫杉醇耐药性,释放到M2型巨噬细胞中又可抑制M2型巨噬细胞极化。
二维纳米结构的层状双氢氧化物(LDH)是一种无机材料,因其出色的生物相容性、高负载能力、pH敏感的释放特性、易于表面修饰、细胞内运输能力、安全性以及在癌症免疫治疗和基因编辑技术中的潜力而受到关注
[27],因此适用于治疗性生物应用。自从DNA分子嵌入LDH材料中以来,已经开发了各种LDH纳米杂交体用于生物医学药物递送系统。目前常见的以LDH为载体的搭载药物应用于基因治疗、化疗、免疫疗法和联合治疗等方面
[28]。在乳腺癌细胞SKBR3中,LDH负载miR-30a将癌细胞阻滞在G0/G1期抑制了癌细胞增殖并抑制了上皮-间充质转化进程
[29];在结直肠癌中,LDH通过负载化疗药5-氟尿嘧啶和与白蛋白结合的PTX增加了结直肠癌细胞的凋亡率,用于治疗结直肠癌
[30];LDH负载双氢青蒿素(DHA)可作为一种癌症纳米疫苗,在肿瘤微环境中降解,释放铁离子、铝离子和DHA,加重肿瘤内氧化应激损伤,导致癌细胞凋亡、铁凋亡和免疫原性细胞死亡,随后释放的肿瘤相关抗原与铝佐剂形成癌症纳米疫苗,产生强大的和长期的免疫反应
[31]。在本实验中,通过材料表征实验表明LDH和LDH@si-NEAT1已被成功制备,且能被细胞摄取,并增加了溶酶体膜的通透性和从溶酶体中逃逸从而不被降解。在SKBR3-PR中LDH负载si-NEAT1后,miR-133b的表达上调,PD-L1及耐药蛋白MRP、BCRP的表达下调,同时下调M2型巨噬细胞极化标志物Arg-1、CD163、IL-10表达,说明LDH@si-NEAT1通过miR-133b靶向PD-L1从而调控乳腺癌紫杉醇耐药性,抑制 M2-TAMs极化。
综上所述,本研究揭示了LDH作为si-NEAT1的载体在药物递送系统中显示出潜力,LDH@si-NEAT1通过靶向miR-133b/PD-L1轴,调控乳腺癌紫杉醇耐药性和M2-TAMs巨噬细胞极化,为临床乳腺癌治疗揭示了一种新的分子机制。