在組織中，所有細胞都承受機械應力，包括剪切應力、拉伸應力和壓縮應力。在癌癥中，壓縮應力研究不足，其對細胞增殖和遷移的影響可能取決于施加力的大小、持續時間和方向，以及與細胞外組織成分的關聯。在實體瘤發展過程中，腫瘤細胞迅速增殖，這種情況與機械力的增加和內部剛度的增加有關。

PI3K 蛋白可分為三類（I-III），其中I類 PI3K 由 PI3Kα、PI3Kβ、PI3Kδ 和 PI3Kγ 四種亞型組成。在胰腺癌細胞中，壓縮誘導的 PI3K 激活促進涉及自分泌自刺激回路的遷移表型。在乳腺癌細胞中，PI3Kβ 的體內過表達使未轉化的細胞對 YAP/TAZ 誘導的致癌性敏感。重要的是，PI3K 通路是癌癥中最常見的異常激活通路之一。PIK3CA （編碼 PI3Kα）的基因改變導致 PI3K/AKT 通路的組成型活性，組成型 PI3K/AKT 激活與胰腺癌的不良預后相關。

最近的證據表明，在所有促腫瘤信號通路中，I 類 PI3K 似乎在對壓縮應力的適應性反應中起關鍵作用。因此，靶向 PI3K 小分子抑制劑可能是消除這種適應性反應并導致癌細胞死亡的相關療法。為了檢驗這一假設，法國圖盧茲第三大學及圖盧茲大學癌癥研究所團隊在一項實驗中驗證了 I 類 PI3K 活性在已知對 PI3K 抑制劑敏感的癌細胞系中的重要性，確定了 GABARAP 是一種受壓縮力控制的自噬相關的常見關鍵分子。研究成果發表于 Life Science Alliance 期刊題為“Mechanical compressive forces increase PI3K output signaling in breast and pancreatic cancer cells”。

首先，使用 I 類 pan-PI3K 抑制劑（GDC-0941，10 μM）或對照載體處理乳腺癌（MCF-7 和 MDA-MB-231）和胰腺癌（CAPAN-1 和 PANC-1）細胞系（圖1 A）。有趣的是，與對照（CTL）相比，用 GDC-0941 處理 72 小時顯著降低了乳腺和胰腺細胞系中指示細胞數（簡稱細胞數）的結晶紫染色（圖1 A ），這表明這些細胞對 pan-PI3K 抑制劑敏感。為了研究 PI3K 藥物治療后細胞數量減少所涉及的細胞死亡機制，進行了 Annexin-V/碘化丙啶（PI）細胞術實驗（圖1 B），發現 GDC-0941 顯著增加胰腺癌細胞或乳腺癌細胞的早期或晚期凋亡（圖1 B）。這些數據證實 I 類 PI3Ks（PI3Kα、PI3Kβ、PI3Kδ 和 PI3Kγ）是乳腺癌（MCF-7 和 MDA-MB-231）和胰腺癌（PANC-1 和 CAPAN-1）細胞存活所必需的。

為了研究壓縮應力后 PI3K/AKT 通路在機械轉導中的影響，使用壓縮裝置施加 200 Pa 壓力壓縮乳腺細胞和胰腺細胞，并量化 0、24、48 和 72 小時壓縮后的細胞數量。有趣的是，pan-PI3K 抑制劑聯合 200 Pa 壓縮（200 Pa + GDC-0941）顯著降低了 MCF-7 和 CAPAN-1 中的細胞數量，這些細胞被確定為機械反應細胞，而 GDC-0941 不影響非機械反應細胞（MDA-MB-231 和 PANC-1）中的細胞數量。此外，pan-PI3K 抑制劑聯合 200 Pa 壓縮顯著增加了 MCF-7 乳腺癌細胞的晚期細胞凋亡和機械反應細胞 CAPAN-1 胰腺細胞的早期細胞凋亡，但不會影響非機械反應細胞 （MDA-MB-231 和 PANC-1）的細胞凋亡過程。這些數據支持，機械反應細胞中細胞數量的減少來自早期和晚期細胞凋亡過程的增加，這在非機械反應的細胞中不受影響。

圖1 抑制 I 類 PI3K 后 MCF-7/MDA-MB-231 乳腺癌細胞和 CAPAN-1/PANC-1 胰腺癌細胞的細胞數量和死亡事件。

為了實驗驗證壓縮對 PI3K 通路的影響，接下來對機械反應性細胞（MCF-7 和 CAPAN-1）和非機械反應性細胞（MDA-MB-231 和 PANC-1）施加壓縮力。MCF-7 和 CAPAN-1 細胞中 200 Pa 壓縮顯著增加 3.5 倍和 2.7 倍的 p-AKTS473/總 AKT 比率，表明機械反應細胞中的 PI3K 激活。另外，200 Pa 壓縮不顯著調節非機械反應細胞 MDA-MB-231 和 PANC-1 中的 p-AKTS473/總 AKT 比率（圖2）。這些實驗結果表明，在 200 Pa 壓縮力下通過 AKT 磷酸化評估的 PI3K 通路活化在機械反應性細胞（MCF-7 和 CAPAN-1）中主要增加，但在非機械反應性細胞（MDA-MB-231 和 PANC-1）中不受影響。

為了更深入地研究分子機制，分析了轉錄組數據并了解壓縮應力如何改變細胞信號通路（包括 PI3K 通路）的基因特征。研究人員比較了在壓縮下細胞數量減少的兩種乳腺癌細胞系 MDA-MB-231 和 MCF-7 的基因表達進化，對其施加 0-8 kPa 的整體壓縮并分析基因表達譜。在增加壓縮應力（0）、（0.3-0.8）、（1.5-4.0）、（7.0-8.0）kPa 的情況下，PI3K-AKT 特征基因表達在 MDA-MB-231 細胞中顯著過表達，表明屬于這些通路的基因存在全局過表達，而在 MCF-7 細胞中 PI3K-AKT 信號基因水平已經很高。這些結果與 MCF-7 細胞的已知基因狀態一致，其中 PI3Kα 通過其編碼基因（PIK3CAE545K）的突變而具有組成型活性。然而，PIK3CA、PIK3CB 和 PIK3CD mRNA 表達在 MCF-7 細胞中增加，在 MDA-MB-231 細胞系中保持穩定。有趣的是，在 MCF-7 和 MDA-MB-231 細胞中，YAP/TAZ 通路基因特征并未受到壓縮增加的顯著影響。這些數據顯示，在壓縮力（0-8 kPa）下生長的細胞中，PI3K 家族成員的基因表達增加，尤其是在機械反應性 MCF-7 乳腺癌細胞中。

圖2 MCF-7/CAPAN-1 機械反應細胞和 PANC-1/MDA-MB-231 非機械反應細胞中的 PI3K 信號傳導。

進一步使用轉錄組學分析并研究 PI3K 亞型在壓縮反應中的特定作用。在 MCF-7 中抑制 PI3Kα 后，1279 個基因的表達發生顯著改變。在 HCC70 細胞中抑制 PI3Kβ 后，933 個基因的表達也受到顯著影響。在 MCF-7 細胞中，1052 個靶標的基因表達在壓縮條件下受到影響（0.3-0.8、1.5-4.0和7.0-8.0 kPa 與 0 kPa 相比）。將這些信號與在經典“癌癥中的 PI3K-AKT REACTOME 信號通路”中發現的 102 個基因列表進行比較，發現 PI3Kα 和 PI3Kβ 信號與 139 個基因的調控重疊，壓縮應力基因信號大多與 PI3Kα 或 PI3Kβ 信號重疊，表明壓縮應力對亞型激活的影響不同。

編碼自噬體 GABARAP 結構蛋白的 GABA A 型受體相關蛋白樣1 基因（GABARAPL1）是 PI3Kα 信號、PI3Kβ 信號、壓縮應力特征和“癌癥中 PI3K-AKT REACTOME 信號通路”之間唯一的共享靶基因。GABARAPL1 和自噬 GSEA 通路基因信號在乳腺癌細胞壓縮力增加的情況下受到影響。詳細地說，GABARAPL1 基因表達在PI3Kα 和 PI3Kβ 抑制后顯著上調。在從（0）kPa 增加到（7.0–8.0）kPa 的壓縮下，GABARAPL1 基因表達在非機械反應性的 MDA-MB-231 細胞中顯著增加，但在機械反應性 MCF-7 細胞中沒有增加。此外，在不斷增加壓縮應力的情況下，MDA-MB-231 細胞中的經典自噬 GSEA 通路基因表達顯著增加，而在組成型 PI3K 激活的 MCF-7 細胞中表達降低。這些分析表明，PI3K 激活與對機械壓縮力無反應的細胞所涉及的自噬過程增加之間存在關聯。

為了驗證轉錄組數據，分析壓縮細胞中的自噬和 GABARAPL1 基因表達。GABARAPL1 基因表達在機械無反應的細胞中顯著增加（圖3），在MDA-MB-231 中增加了 2.1 倍，在 PANC-1 細胞中增加了 3.9 倍（圖3 A）。這些結果通過 GABARAP 蛋白水平得到證實，MDA-MB-231 中 GABARAP 蛋白水平顯著增加 5.9 倍，并且在未壓縮（0 Pa）和壓縮（200 Pa）PANC-1 細胞之間保持較高水平（圖3 B）。相比之下，機械反應細胞中的 GABARAP mRNA 和蛋白質水平沒有被顯著調節，除了在 200 Pa 壓縮條件下 CAPAN-1 細胞中 GABARAP 蛋白水平降低（圖3 A、B），表明機械敏感細胞中的自噬過程減少。這些實驗結果表明，機械反應細胞中的 GABARAP 水平保持較低或降低。然而，在壓縮后，機械無反應的細胞中的 GABARAP 水平增加或保持較高水平。

圖3 MCF-7/CAPAN-1 機械反應細胞和 PANC-1/MDA-MB-231 機械無反應細胞中的自噬通量。

最后，通過免疫熒光研究自噬受體 p62/SQSTM1 的細胞定位。當自噬過程受阻時，p62/SQSTM1會在細胞內積累。實驗觀察了壓縮下乳腺癌和胰腺癌細胞中 p62/SQSTM1 的水平和定位，發現 200 Pa 壓縮增加了四種細胞系中 p62/SQSTM1 點的密度和核周定位（圖3 C），而較大的 p62 點僅在機械反應細胞中觀察到（圖3 C）。

隨后確認機械反應細胞（MCF-7 和 CAPAN-1）中的 PI3K 失活是否可能進一步阻斷壓縮下的自噬過程，并量化自噬通量的水平。在機械反應性細胞中，在 PI3K 抑制劑處理后，LC3B-II 自噬通量在 0 Pa 壓縮下降低（圖3 D）。此外，200 Pa 壓縮條件在有或沒有 pan-PI3K 抑制劑的情況下降低的 LC3B-II 水平甚至更高（圖3 D）。然而，在機械無反應的 MDA-MB-231 細胞中，僅 pan-PI3K 抑制劑或與 200 Pa 壓縮聯合均沒有顯著影響 LC3B-II 自噬通量（圖3 D）。在機械無反應的 PANC-1 細胞中，pan-PI3K 抑制劑在無壓縮下降低了 LC3B-II 自噬通量，然而，200 Pa 壓縮聯合 pan-PI3K 抑制劑不影響 LC3B-II 自噬通量（圖3 D）。這些結果表明，盡管壓縮應力阻斷了自噬，但 PI3K 失活恢復了機械無反應的壓縮細胞中的自噬通量。

圖4 壓應力在機械響應和非響應細胞中的平衡影響。

PI3K 通路活性、PI3K 抑制劑敏感性、GABARAP 表達和自噬通量在機械反應性和非機械反應性細胞中受到調節。根據細胞壓縮狀態，這種平衡傾向于生物過程中過度/向下激活或參與者過度/向下表達（黑色箭頭）。

總之，這項研究的主要發現是高強度和靜態壓縮會影響機械反應性或無反應細胞的乳腺癌和胰腺癌細胞的生長速率、細胞死亡和自噬過程。PI3K 抑制加劇了這種作用，為壓縮與 PI3K 抑制劑聯合作為治療干預開辟了途徑。

參考文獻：Di-Luoffo M, Schmitter C, Barrere EC, Therville N, Chaouki M, D'Angelo R, Arcucci S, Thibault B, Delarue M, Guillermet-Guibert J. Mechanical compressive forces increase PI3K output signaling in breast and pancreatic cancer cells. Life Sci Alliance. 2025 Jan 2;8(3):e202402854. doi: 10.26508/lsa.202402854. PMID: 39746759; PMCID: PMC11707390.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39746759/

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