肺癌细胞粘弹特性与超微结构的相关性研究
中国医学物理学杂志 2000年第3期第17卷 实验研究
作者：张婷 薛亚梅 屈谦 吴泽志 宋关斌
单位：张婷 薛亚梅 屈谦（重庆医科大学第二临床学院 呼吸内科,重庆 400010）；吴泽志 宋关斌（重庆大学 生物工程研究院,重庆 400044）
关键词：肺肿瘤；细胞骨架；粘弹性；微管吸吮技术
摘要: 目的:肺癌是高恶性和高死亡率的肿瘤之一,作者力图从生物力学角度揭示肺癌细胞侵润转移的某些生物学特性。材料与方法:本文结合超微结构观察,采用微管吸吮技术定量测定体外培养的低转移人肺腺癌(PAa)细胞和高转移人肺巨细胞癌(PG)细胞在长春新碱(VCR)作用下的粘弹特性。结果:肺癌细胞粘弹性,在未使用VCR前为PAa细胞大于PG细胞;随VCR的使用和剂量增加,其在PAa细胞呈浓度依赖性下降,在PG细胞则表现为低VCR浓度(0.10 μg/ml)时降低而后以弹性系数K1,K2为主的增高。超微结构观察见PAa细胞微管、微丝稀疏,VCR作用后进一步减少;PG细胞微管、微丝减缺,VCR作用后分裂期形态表现多见。结论:细胞内微管、微丝等细胞骨架成份的改变与癌细胞运动迁徙能力有关,VCR等细胞骨架干扰剂的抗肿瘤作用可能主要通过调控癌细胞的增殖分化信息来影响癌细胞生物学特性及侵润转移能力
中图分类号: R734.2 文献标识码: A 文章编号: 1005-202X(2000)03-0177-02
Investigation on the correlation of the viscoelastic properties and ultrastructure of lung cancer cells
ZHANG Ting,XUE Ya-mei,QU Qian,
(The Second Hospital of Chongqing medical University,Chongqing 400010)
WU Zhe-zhi,SHONG Guan-bing
(The Bioengineering academe of Chongqing University,Chongqing 410044,China)
Abstract：Purpose:Lung cancer was one of the neoplasms with high malignancy and mortality fate.The cytoskeleton structure were strong associated with their invasion and metastasis,the authors will try to reveal the relevant biomechanical and biorheological manifestations of human lung cancer.MethodsUsing micropipette aspiration technique,authors investigated quantitatively the effect of vincristine(VCR,0.10～2.00 μg/ml) on the viscoelastic properties of high metastatic human giant cell carcinoma（(PG) cells as well as low metastatic adenocarcinoma(PAa)cells of lung based on cell culture in vitro,Viscoelasticity was analyzed by using the special three-element standard linear solid model.Result:No VCR,the elastic coefficients K1 and K2 as well as viscous coefficient μ of PAa were bigger than that of PG cells. Treatment with VCR,the values of K1,K2 and μ of PAa cells decreased only as concentration increased,but on PG cells,the most viscoelastic coefficient values decrease in the presence of 0.10 μg/ml VCR,then turn to increase(esp.K1,K2)as concentration increased.By using electromicroscope,authors found that the microtubules and microfilments were sparse random in the PAa cells,and they were diminished in PG cells. After treated with VCR,they cut down seriously in PAa cells,and manifestations of mitotic arrest of cell cycle were increased unusually in PG cells.Conclusion:The cytoskele-ton structure components changes were ability related to the migration and movement of the tumor cells.The anti-neoplasm actions of cytoskeleton interferents such as VCR might be realized by regulating mainly the message of tumor cells growth and differentiation.
Key words：lung neoplasms;cytoskeleton;micropipette aspiration;viscoelasticity
前言:恶性肿瘤的侵袭转移是一个多环节的复杂病理过程,肿瘤细胞胞质骨架结构的异常〔1〕与肿瘤的侵袭转移密切相关。本文将结合超微结构检查,采用先进的微管吸吮技术定量测定低转移人肺腺癌（PAa）细胞和高转移人肺巨细胞癌（PG）细胞在长春新碱（vincristine,VCR） 作用下的粘弹特性,力图揭示肺癌细胞粘弹特性与其微管结构的相关关系。
1 材料与方法
⑴细胞样本的制备 PG和 PAa肺癌细胞株购于北医大病理教研室,复苏后接种于25 ml培养瓶中,在含10%小牛血清的RPMI 1640培养液（GIBC,美国）内常规传代培养。传代2～3天收获细胞,于培养瓶中加入含0.01%EDTA的0.1%胰酶3 ml消化细胞5分钟,在倒置显微镜下观察细胞剥脱分离成单个细胞后转入15 ml离心管离心800转3～5分钟,弃上清,加RPMI 1640培养液制成细胞悬液备用,细胞浓度约5×104 个/毫升。
⑵微管吸吮实验系统及微管吸吮技术 微管吸吮系统实验装置主要有压力控制及记录系统（自制）、显微操作器（MR5170,Eppendorf Co.）、倒置显微镜（Axiovert35,Zeiss Co.）、电视摄像机和磁带录像机（NV-HD100MC,Panasonic Co.）、图像处理系统（Vidas 21,Kontron Co.）及微管等部分组成,微管在P-87型微管拉制器（Sutter Instrument CO.,美国） 上拉制而成,微管内半径控制在（2.03±0.51） μm（n =1127）。实验系统联结完毕后,取0.5 ml 肺癌细胞悬液注入一特制的实验用圆形小室内,并置于倒置显微镜载物台上,镜下选择确定待实验的细胞后,利用显微操作器引导微管尖端靠近细胞表面,由在计算机控制下的压力控制及记录系统通过微管对微管尖端施加一个阶跃负压以吸吮细胞,使细胞一小部分被吸入微管内,通过电视摄像记录细胞进入微管的变形过程。所有实验均在室温（25°C）下进行。
⑶粘弹性实验及结果拟合 细胞骨架干扰剂的处理是在培养液中加入一定浓度（0.05～2.00 μg/ml）的长春新碱,于37°C孵育24小时后,以RPMI 1640细胞培养液制成相应的细胞悬液进行实验。
细胞在微管内的变形表现为一个初始的快速响应和随后 的一个稳定的蠕变过程。通过录像带回放在图像处理仪上测定细胞的变形值,采用一标准线性固体模型拟合实验数据,该模型由两条平行的“臂”组成,一“臂”为弹性系数为K1的弹性元件,另一臂”由弹性系数为K2的弹性元件与粘性系数为μ的粘性元件串联组成,K1、K2、μ统称为粘弹性系数,K1和K2与时间无关,μ反应了细胞变形对时间的依赖性。
⑷肺癌细胞胞质内骨架结构观察 将经胰酶消化分离的肺癌细胞,1000转,15分钟离心后,转入1微升样品管内,用含双抗生素的4%戊二醛固定液原位固定40分钟,再经1%OsO4后固定1小时,酒精和丙酮梯度脱水,环氧树脂618浸透包埋,超薄切片,透射电镜下观察。
⑸统计处理 实验结果的表述中,以弹性系数（
±s dyn/cm2）、粘性系数（±s dyn·s/cm2）作为细胞粘弹性的定量指标;所有数据采用新复极差方差分析法（Duncan新法）进行统计学处理。
2 结 果
⑴长春花碱作用下PG和PAa细胞粘弹性的变化如表1。结果显示,在未使用VCR前,PAa细胞粘弹性系数高于PG细胞,且K1＞K2;在VCR作用下,对应于VCR浓度由低向高的变化,PG细胞的粘弹性先降低后反弹,尤表现在K1、K2,而在PAa细胞则基本上呈单调浓度依赖性下降,在VCR浓度更高（2.00 μg/ml） 时则趋于增高。
⑵培养人肺癌细胞细胞质骨架的形态结构 在透射电镜下,肺癌细胞核畸形,核仁肥大,多呈致密型或网状,可见双核、多核。与PG细胞相比,PAa细胞中微管、微丝稀疏但可见,而PG细胞中微管、微丝则明显缺乏。与PAa细胞相比,PG细胞多核仁,分裂相多见,细胞膜微绒毛较多。经VCR处理后,两种细胞均有脂滴增加,微管减少,内质网扩张,空泡形成,甚至出现细胞蜕变,胞膜缺损等改变,而PG细胞则分裂期形态表现多见。
3 讨 论
肺癌具有多能分化和异质性，细胞的分化常取决于微环境的变化,故同一肿瘤,尽管有共同的组织发生,但由于微环境改变,可以形成不同的类型［2］,具有不同的细胞骨架结构。转化细胞和癌细胞与正常细胞内的微管组装是不同的［3］。本研究超微结构发现肺癌细胞的微管明显减少,呈稀疏型（低转移PAa细胞）或减缺型（高转移PG细胞）,与文献［4］报道是一致的。在上述超微结构中,PG细胞较之PAa细胞其恶性表象更明显微管微丝缺如且与VCR浓度呈正相关,微绒毛等表现亦更突出。
肿瘤细胞的最终严重危害往往是癌细胞的侵袭转移,改变细胞移动性的潜在目标是细胞骨架。长春新碱是细胞微管结构的干扰剂,可选择性作用于有丝分裂的微管,具纺锤丝毒性,能明显抑制细胞有丝分裂和增殖,在体内体外均有抗侵润的作用［5］。本文VCR作用下研究了两种肺癌细胞粘弹特性的变化,粘弹性系数是反映细胞流变特性的重要参数,理论上是与细胞形态和几何尺寸无关的细胞流变学指标,主要决定于细胞质,特别是细胞骨架结构和功能状态的完整性［6］。在VCR作用下,PG和PAa细胞粘弹性系数出现了似有一定规律的差异性变化（见结果（1））,结合前文所述除与肺癌细胞的细胞骨架有关外,尚可能与细胞的分化生长有关。由于肿瘤细胞的产生和发展主要由两部分组成:一是瘤细胞的异常分化;一是瘤细胞的无限制活跃增殖。当VCR与肺癌细胞的为数不多的微管结合后,其首先将可能以抑制瘤细胞的异常分化信息为主,反映为在VCR作用下癌细胞粘弹性系数随其浓度升高而呈依赖性下降,其中PAa细胞几乎在全部的VCR浓度梯度基本呈单调改变,而PG细胞仅表现在0.10 μg/ml和0.20 μg/ml的较低浓度时粘弹性系数下降。然而,由于PG细胞微管数量极少甚至完全消失,在VCR 作用下微管进一步解聚。微管解聚被认为与细胞增殖失控的关系最密切［7］,VCR作用可能迅速转移到以对瘤细胞无限活跃增殖信息调控的作用上,表现为以弹性系数（K1,K2）为主的反弹,细胞刚性增加。VCR作用下癌细胞分裂相的增加可能又是VCR抗癌作用的表现之一,其如同微管解聚药物紫杉醇一样可导致细胞分裂阻滞,激活促细胞凋亡发生的因子,使细胞走向死亡［8］。因此,肺癌细胞粘弹性改变的差异与瘤细胞的细胞骨架有关，可能尚与癌细胞的分化生长有关,具体机理尚有待进一步探明,所有这些差异必将导致肿瘤细胞侵润迁徙能力的差异。
作者简介:张婷(1970- ),女,重庆医科大学附属第二医院呼吸内科主治医师,医学硕士。
参考文献:
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5，Luomahaara S,Norppa H.Induction of micronuclei in cultured human lymphocytes treated with vinblastine before and after mitogen stimulation[J].Mutation Res,1994,324:29-34.
6，Chien S,Sung KLP.Effect of colchicine on viscoelastic properties of neutrophile[J].Biophys J.1984,46:383-386.
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8，陈丽荣,郑树,Willingham MC,范伟民.紫杉醇诱发人乳腺癌细胞凋亡的机制研究[J]. 中华肿瘤杂志,1997,19(2):103-106.
收稿日期:1999-09-06
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