骨骼是一个机械敏感器官，它不断地利用机械负荷作为主要线索进行自我重塑。骨细胞是骨基质中最丰富的细胞类型，它们充当机械传感器并诱导负荷驱动的骨重塑。虽然机械负荷通过广泛的信号通路激活许多负荷敏感基因，但机械刺激对肿瘤-骨细胞通讯的潜在影响知之甚少。
骨是乳腺癌最常见的转移部位。已知肿瘤细胞和骨吸收破骨细胞之间的相互作用会诱导恶性前馈循环，其中骨溶解反应被 PTHrP 和 TGFβ 之间的相互作用循环放大。除了与破骨细胞的相互作用外，肿瘤细胞还被骨髓和 ECM 中的化学引诱剂（如胶原蛋白和蛋白多糖）吸引。骨细胞介导的负荷效应可能与直接接受机械刺激的肿瘤细胞中观察到的不同。基于此，哈尔滨医科大学药学院药理学系、印第安纳大学-普渡大学印第安纳波利斯分校生物医学工程系、北京协和医院进行了合作研究，文章为《Skeletal loading regulates breast cancer-associated osteolysis in a loading intensity-dependent fashion. Bone Res》。该实验在体外和体内探索了在有无机械刺激的情况下，骨细胞和迁移性乳腺癌细胞之间的相互作用。这项研究使用了乳腺癌细胞系 MDA-MB-231 及其 TMD 细胞（小鼠异种移植）变体、人原代乳腺癌细胞和小鼠乳腺癌细胞系 4T1、4T1.2 和 EO771。为了诱导体外机械刺激，在峰值剪切应力为 0.25 Pa 或 1 Pa 的条件下，将平行板之间的振荡流以 1 Hz 应用于 MLO-A5 骨细胞。然后用 MLO-A5 衍生的条件培养基 (CM) 或 MLO-A5 流体流动处理的条件培养基 (FFCM) 处理肿瘤细胞。采用小鼠胫骨骨溶解模型，分别在胫骨注射 EO771 和 4T1.2 小鼠乳腺肿瘤细胞后，对两种小鼠品系 C57BL/6 和 BALB/c 施加胫骨负荷（振荡压缩负荷）。每日负荷条件为正弦 2 Hz ，峰间负荷为 1 N、2 N 和 5 N，持续 5 分钟。
肿瘤细胞系和原发性乳腺癌细胞对 1 Pa 和 0.25 Pa 流体流动的反应
为了进一步评估对 CM 和 FFCM 的反应，实验采用了其他细胞系和原代人乳腺癌细胞。1 Pa 的 FFCM 上调 4T1 乳腺肿瘤细胞以及两种原发性乳腺癌细胞中的转录因子 Snail（图1 a）。EO771 和 4T1.2 乳腺肿瘤细胞对 A5 CM 的反应减少了伤口愈合（图1 b、c）。在这些细胞系中，Snail 在 1 Pa 时被 A5 CM 下调并被 FFCM 上调（图1 d）。总之，在检测的六种类型的乳腺肿瘤和乳腺癌细胞中，CM 和 FFCM 的反应是一致的。使用两种水平的剪切应力（0.25 Pa 和 1 Pa）检测流体流动强度是否改变了流动敏感基因（如 p-Src 和 Snail）在 TMD 细胞、4T1.2 细胞和 EO771 细胞中的迁移行为或表达水平，（图1 e–g）。当 A5 骨细胞接受低水平流体流动（0.25 Pa）时，肿瘤细胞伤口愈合受到抑制，p-Src 和 Snail 下调。相反，在 1 Pa 剪切应力下，FFCM 刺激伤口愈合并提高 p-Src 和 Snail 的水平。在 A5 骨细胞中，TGFβ 和 OPN 的表达也根据流动强度而改变（图1 h）。0.25 Pa 剪切应力增加 OPN（骨桥蛋白），而1 Pa 减少。
图1 EO771、4T1、4T1.2 和原代人乳腺癌细胞对流体流动的反应
在胫骨内注射 EO771 或 4T1.2 细胞后，实验以三种强度（1、2 和 5 N 负荷）对 C57BL/6 或 BALB/c 小鼠施加胫骨负荷。该实验结果观察到 C57BL/6 小鼠每天胫骨负荷为 1 N 减少了胫骨近端小梁骨的降解。具体说，BV/TV、Tb.n（小梁数）和 BMD（骨密度） 显著增加。相比之下，C57BL/6 小鼠的胫骨负荷为 5 N，刺激了小梁骨的骨溶解，胫骨内注射 4T1.2 细胞和 5 N 负荷的 BALB/c 小鼠情况一致。在具有 2 N 负荷的 C57BL/6 小鼠中未观察到显著影响，而向 BALB / c 小鼠施用 1 N 负荷可防止胫骨中的骨质流失。然而，对 C57BL/6 小鼠施用 5 N 负荷不仅会损坏近端胫骨，还会损坏远端股骨。
值得注意的是，5 N 负荷并未显著损害 BALB/c 小鼠的股骨远端。H&E 染色组织学图像显示，与假负荷对照组相比，5 N 负荷的在 BALB/c 小鼠胫骨近端呈现显著的骨损伤。在胫骨近端，5 N 的负荷降低了骨面积比并增加了肿瘤面积比。微损伤的品红染色表明，在 5 N 负荷下肿瘤诱导的溶骨样本的胫骨近端皮质骨中的微裂纹数量增加。
血清 TGFβ、D-二聚体、胆固醇和基因表达的负荷依赖性调节
为了将体外流体流动驱动的基因调控与体内负荷驱动的反应联系起来，实验分析了血清中选定标志物水平以及骨髓中代谢和 EMT 相关基因的表达。ELISA 结果显示，5 N 负荷增加血清中的 TGFβ 和 D-二聚体。值得注意的是，FFCM 在 1 Pa 时使 TGFβ 升高，而 D-二聚体是血栓的标志物，表明溶骨性骨的病理负荷。因为甲羟戊酸途径导致胆固醇产生，实验分析了 C57BL/6 小鼠的血清胆固醇水平。1 N 负荷降低了胆固醇水平，但 5 N 负荷增加了胆固醇水平。骨髓衍生细胞的蛋白质印迹分析显示，在 1 N 负荷下 OPN 水平升高，5 N 负荷下降低。相反，在 1 N负荷下 PPARγ、TGFβ、Snail 和 p-Src 的水平降低，5 N 负荷下增加。总的来说，这些结果表明中等水平的机械刺激（体外 1 Pa 剪切应力和体内 5 N 负荷）促进 EMT 相关基因，如 TGFβ、Snail 和 p-Src 的表达，而低水平刺激（体外 0.25 Pa 剪切应力和体内 1 N 负荷）则抑制这些基因的表达。
总之，这项研究表明，在存在或不存在机械刺激的情况下，骨细胞-肿瘤通讯对肿瘤细胞行为产生了显著不同的影响。通过质谱法鉴定的 OPN 在 A5 CM 和 FFCM 以及负荷和非负荷胫骨的骨髓中差异表达，并且至少在一定程度上是肿瘤细胞中 Src-Snail 调节轴反应的原因。肿瘤-骨细胞信号转导的结果表明，预防与乳腺癌相关的骨转移的策略可能受益于骨骼的机械负荷，但应仔细监测负荷强度。参考文献：Fan Y, Jalali A, Chen A, Zhao X, Liu S, Teli M, Guo Y, Li F, Li J, Siegel A, Yang L, Liu J, Na S, Agarwal M, Robling AG, Nakshatri H, Li BY, Yokota H. Skeletal loading regulates breast cancer-associated osteolysis in a loading intensity-dependent fashion. Bone Res. 2020 Feb 14;8:9. doi: 10.1038/s41413-020-0083-6. PMID: 32128277; PMCID: PMC7021802.原文链接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/32128277/
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