Вязкость внеклеточной жидкости усиливает миграцию клеток и распространение рака
Nature, том 611, страницы 365–373 (2022 г.) Процитировать эту статью
49 тысяч доступов
13 цитат
616 Альтметрика
Подробности о метриках
Клетки реагируют на физические стимулы, такие как жесткость1, напряжение сдвига жидкости2 и гидравлическое давление3,4. Вязкость внеклеточной жидкости является ключевым физическим сигналом, который варьируется в зависимости от физиологических и патологических состояний, таких как рак5. Однако его влияние на биологию рака и механизм, с помощью которого клетки чувствуют и реагируют на изменения вязкости, неизвестны. Здесь мы демонстрируем, что повышенная вязкость нелогично увеличивает подвижность различных типов клеток на двумерных поверхностях и в ограниченном пространстве, а также увеличивает диссеминацию клеток из трехмерных опухолевых сфероидов. Повышенная механическая нагрузка, вызванная повышенной вязкостью, индуцирует плотную актиновую сеть, зависимую от комплекса актин-родственного белка 2/3 (ARP2/3), которая усиливает поляризацию Na+/H+ обменника 1 (NHE1) через его актин-связывающего партнера эзрина. NHE1 способствует набуханию клеток и увеличению напряжения мембран, что, в свою очередь, активирует катион ваниллоида 4 временного рецепторного потенциала (TRPV4) и опосредует приток кальция, что приводит к увеличению RHOA-зависимой сократимости клеток. Скоординированное действие ремоделирования/динамики актина, опосредованного NHE1 набухания и сократимости на основе RHOA способствует усилению подвижности при повышенной вязкости. Клетки рака молочной железы, предварительно подвергнутые воздействию повышенной вязкости, приобретают TRPV4-зависимую механическую память посредством транскрипционного контроля пути Hippo, что приводит к усилению миграции у рыбок данио, экстравазации у куриных эмбрионов и колонизации легких у мышей. В совокупности внеклеточная вязкость является физическим сигналом, который регулирует как краткосрочные, так и долгосрочные клеточные процессы, имеющие патофизиологическое значение для биологии рака.
Миграция клеток необходима для различных патофизиологических процессов, таких как развитие, тканевый гомеостаз, иммунный надзор и метастазирование рака. Хотя было показано, что механические силы, возникающие в результате взаимодействия клеток с субстратом и окружающей жидкостью, регулируют поведение миграции клеток6,7,8, влияние физиологически значимой внеклеточной вязкости на функцию клеток остается неясным. На сегодняшний день большинство функциональных анализов клеток in vitro, включая подвижность, выполняются в среде с вязкостью, близкой к вязкости воды (0,7 сантипуаз (сП) при 37 °C). Однако вязкость интерстициальной жидкости варьируется до 3,5 сП (ссылка 9) и может быть дополнительно увеличена макромолекулами, такими как муцины, секретируемые не только резидентными эпителиальными клетками в различных тканях, но и опухолевыми клетками10. Первичный рост опухоли может сдавливать лимфатические сосуды и нарушать дренаж11, что со временем приводит к накоплению макромолекул. Повышенная деградация внеклеточного матрикса в местах опухоли также усугубляет скученность макромолекул12, что может еще больше увеличить вязкость интерстициальной жидкости13. Примечательно, что физиологическая вязкость цельной крови колеблется от 4 до 6 сП и может превышать 8 сП при патологических нарушениях14.
Предыдущие исследования показали, что супрафизиологическая вязкость (≥40 сП) увеличивает подвижность карциномы и нормальных клеток на двумерных (2D) поверхностях15,16. Это довольно противоречиво, поскольку вязкость замедляет движение частиц внутри жидкости. Тем не менее, ключевые фундаментальные и трансляционные вопросы остаются без ответа, в том числе, как клетки воспринимают физический сигнал повышенной, но физиологически значимой внеклеточной вязкости; изменяет ли повышенная вязкость фенотип клеток и основные механизмы передвижения клеток; как цитоскелет взаимодействует с ионными каналами и транспортерами, обеспечивая эффективную миграцию при повышенной вязкости; переносится ли более быстрая подвижность, наблюдаемая in vitro, на условия in vivo, и если да, то влияет ли воздействие на клетки повышенной вязкости на метастазы рака.
Чтобы исследовать влияние повышенной вязкости внеклеточной жидкости на функцию клеток in vitro, мы включили количества метилцеллюлозы массой 65 кДа в среду для культивирования клеток, необходимые для получения сред с вязкостью в диапазоне от 0,77 сП (0%) до 8 сП (0,6%) при 37 °C без существенного изменения осмолярности среды (расширенные данные, рис. 1а, б). Используя клетки рака молочной железы MDA-MB-231 в качестве модели, мы обнаружили, что скорость миграции внутри ограничивающих (ширина × высота = 3,5 × 10 мкм) каналов на основе полидиметилсилоксана (ПДМС)17 (расширенные данные, рис. 1c) увеличивается с увеличением внеклеточной вязкости. , достигая пика при 5–8 сП (рис. 1а). Среды с повышенной вязкостью (8 сП) с использованием альтернативных биологически инертных макромолекул, таких как декстран (500 кДа)2 и поливинилпирролидон К-90, также поддерживали более быструю подвижность (расширенные данные, рис. 1d–f), тогда как низкомолекулярный декстран (6 кДа), использованный с молярностью, аналогичной (~ 1,95 мкМ) декстрану 500 кДа, не усиливал ограниченную миграцию (расширенные данные, рис. 1g). Эти данные показывают, что повышенная вязкость внеклеточной жидкости усиливает миграцию клеток MDA-MB-231 в условиях изоляции независимо от природы макромолекул. Повышенная скорость миграции при повышенной вязкости также наблюдалась при использовании различных опухолевых клеток (метастатических клеток головного мозга MDA-MB-231-BrM2, полученных из рака молочной железы (далее BrM2)18, карциномы молочной железы SUM15919 и остеосаркомы человека (HOS)) и нераковых клеток ( нормальные фибробласты человека и гладкомышечные клетки аорты человека (hAOSMCs)) (рис. 1б).