港城大杨梦甦团队《Oncogene》：利用血液剪切力区分高转移潜力的循环肿瘤细胞

90%以上的癌症病人死亡都是由癌症转移造成的，为此研究癌症转移对于癌症治疗具有重要意义。癌症转移是一个复杂的多步骤过程，在这一过程中癌细胞需要抵抗血流剪切应力（FSS）并存活下来才能发生远端转移。在人体循环系统中，剪切应力水平各不相同，例如静脉中为1-4 dynes/cm2，动脉中为4-30 dynes/cm2。这些剪切应力会的差异对循环肿瘤细胞（CTCs）产生不同的影响。由于目前针对转移瘤的长期疗效的治疗方案有限，深入了解CTCs在循环中对机械力的抵抗和存活机制对于癌症转移具有重要意义。

2024年6月10日，香港城市大学董氏生物医学中心杨梦甦研究团队在国际肿瘤研究领域著名期刊Oncogene在线发表了题为“Distinguishing high-metastasis-potential circulating tumor cells through fluidic shear stress in a bloodstream-like microfluidic circulatory system”的研究论文。该研究发现FSS会增加HepG2细胞的迁移能力，并上调TLR4和TPPP3基因的表达。且动物实验进一步证实了TLR4和TPPP3可促进尾静脉注射小鼠的肺转移。这些发现在临床样本中也同样得到了验证，即高水平的TLR4和TPPP3与肝癌患者的整体生存率较差呈正相关。

在这项研究中，研究人员开发了一种类血管的微流控平台用于模拟体内可变的脉冲式剪切应力。通过在静脉水平的剪切应力下循环不同时间发现，HepG2细胞活性会随着循环时间的增加而显著降低。且通过单细胞追踪实验发现，FSS可使得存活下来的HepG2细胞迁移能力增加 (图1)。

图1 HepG2细胞对FSS的响应。

为了进一步研究FSS是如何影响HepG2细胞存活和迁移，研究人员分别对三种处理条件下（贴壁培养，悬浮培养和FSS处理）的细胞进行了RNA测序。数据分析结果发现FSS处理下的差异基因主要富集在与肿瘤进展相关的几个信号通路上，如细胞骨架，细胞粘附，细胞迁移，对机械刺激的细胞响应，细胞增殖和凋亡过程。进一步热图分析显示RND1, TLR4和TPPP3这三个基因在FSS处理组得到显著上调。该结果在RT-qPCR中得到了验证。且通过分析这三个基因的动态表达水平，研究人员发现循环处理3小时可显著提高这三个基因的表达水平（图2）。

图2 探究FSS处理下的差异基因。

RND1, TLR4和TPPP3在循环过程中如何发挥作用？研究人员检测了分别敲除这三个基因对肿瘤细胞在FSS作用下存活，集落形成，细胞迁移和细胞凋亡的影响。结果显示敲除TLR4和TPPP3可显著降低细胞在FSS下的存活能力，集落形成能力，细胞迁移能力和抗凋亡能力（图3）。而RND1的敲除会增加细胞在FSS下的存活和集落形成，说明RND1可能是一个抑制肿瘤转移的分子。因此，研究人员接下来着重研究TLR4和TPPP3这两个基因的作用。

图3 TLR4和TPPP3下调对肿瘤细胞在FSS下存活，集落形成，迁移和凋亡的影响。

接下来研究人员通过过表达TLR4和TPPP3进一步证实了TLR4和TPPP3可促进肿瘤细胞在FSS下存活，集落形成和迁移能力。且动物实验证实了过表达TLR4和TPPP3可促进肝肿瘤和肺转移灶的形成（图4）。此外，研究人员还发现这些基因的高水平表达与肝癌患者的整体生存率较差相关，强调了这些发现在临床上的重要性（图5）。

图4 TLR4和TPPP3过表达对肿瘤细胞在FSS下存活，集落形成，迁移和体内转移的影响。

图5 TLR4和TPPP3的临床意义。

综上所述，这项研究成果揭示了血液剪切力对肝癌细胞的影响，并发现TLR4和TPPP3在调节细胞生存和转移方面起着关键作用。这一发现可能为早期癌症的诊断和靶向治疗的开发提供了新的治疗策略。我们的研究不仅在细胞水平解释了这种现象，还通过小鼠模型验证了这些基因在肝脏和肺部转移中的作用。此外，我们还发现这些基因的高水平表达与肝癌患者的整体生存率较差相关，强调了TLR4和TPPP3在临床上的重要性。

杨梦甦教授现任香港城市大学副校长（研究及科技）、杨建文冠名讲座教授（生物医学），也是董氏生物医学中心主任。他的团队在生物芯片技术和纳米生物技术及其在生物医学研究和临床应用方面进行了系统性和原创性的工作，迄今在国际期刊共发表300多篇同行评审科学论文、获得33项美国及中国专利，并应邀在150多个国际会议和学术机构发表演讲。根据2020年至2022年史丹福大学的排名指标，杨教授获评为论文被高度引用的全球排名前2%科学家。他指导了逾40位博士毕业生及30多位博士后研究员，亦先后参与创办了生物科技公司港龙生物、Prenetics及晶准医学。

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论文原文：

Li, W., Guo, Z., Zhou, Z. et al. Distinguishing high-metastasis-potential circulating tumor cells through fluidic shear stress in a bloodstream-like microfluidic circulatory system. Oncogene (2024).

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41388-024-03075-4