引用本文: 侯松林, 陳小波, 劉帶志, 李孝瓊, 周何, 李利發, 張廣軍, 周彤. HCT116 細胞和 HCT116 球細胞的成瘤能力及其蓬亂蛋白 3 的表達. 中國普外基礎與臨床雜志, 2017, 24(12): 1463-1467. doi: 10.7507/1007-9424.201707009 復制
腫瘤干細胞(cancer stem cells,CSCs)是腫瘤中少數具有干細胞特征的一類腫瘤細胞,具有無限增殖、多向分化潛能以及自我更新的特點,其與腫瘤的生存、增殖、轉移及復發關系密切[1]。以 CSCs 的表面分子為標記進行免疫磁珠或流式細胞分選是目前 CSCs 篩選和富集的重要方法,但由于獲取的 CSCs 數量少且費用昂貴,因而未能廣泛應用[2-3]。Cariati 等[4]研究發現,在無血清培養液中培養出的腫瘤球細胞同樣具有 CSCs 樣特性,從而為 CSCs 的研究提供了廣闊的空間。蓬亂蛋白(dishevelled,DVL)是 Wnt 信號通路中的重要蛋白,其廣泛存在于細胞質中,目前已發現人體內存在 DVL1、DVL2 及 DVL3三種異構體[5]。多中心研究[6-8]表明,DVL3 具有促進肝癌、肺癌、宮頸癌等多種惡性腫瘤增殖、侵襲和轉移的能力。然而,目前對 DVL3 在結直腸腫瘤中的作用及其機制尚不清楚。因此,本實驗以無血清培養法培養的腫瘤球細胞為基礎,探索人結直腸癌 HCT116 細胞系及其球細胞的成瘤能力,以及 DVL3 在上述 2 種細胞中表達水平的差異。
1 材料與方法
1.1 實驗動物
健康、清潔 SPF 級 BALC 雌性裸鼠 20 只,4~5 周齡,體質量 16~20 g,由成都達碩實驗動物有限公司提供,批號為 SCXK(川 2015-030),購回后于 獨立通氣籠盒(individual ventilated cages,IVC)內適應性飼養 5 d。
1.2 主要材料、試劑與設備
主要材料與試劑:人結直腸癌 HCT116 細胞系購于美國模式菌種收集中心(ATCC),達爾伯克必需基本培養基(DMEM)/F-12 培養基、McCoy’s 5a 培養基、無血清培養基添加因子(B27)和牛血清白蛋白(BSA)均購于博士德生物工程有限公司,生長因子購于美國 PeproTech 公司,Gibco 胎牛血清購于美國賽默飛世爾科技公司,兔抗人 DVL3、甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)和羊抗兔二抗均購于美國 Santa Cruz 公司,Western blotting 試劑盒購于上海碧云天生物技術公司。主要設備:BIO-RAD 電泳儀及 Biorad Trans-Blot SD Semi-Dry Transfer Cell 轉膜儀均系 Bio-Rad 中國公司產品,Vilber Fusion Solo4 顯影成像系統系北京 VILBER 公司產品,DMIL Leica 顯微鏡購于徠卡顯微鏡中國有限公司,CCL-170B-8 ESCO 恒溫箱購于藝斯高上海貿易有限公司。
1.3 實驗方法
1.3.1 HCT116 細胞的培養
配制含 10% 胎牛血清的 McCoy’s 5a 培養基,接種 HCT116 細胞于培養瓶中,恒溫箱孵育(培養條件見參考文獻[9])。根據培養瓶中細胞的貼壁狀態,選擇細胞貼壁 70%~80% 且活性較好時進行消化傳代(具體操作見參考文獻[9])。
1.3.2 HCT116 球細胞的培養
取處于對數生長期的 HCT116 細胞于無血清培養液中饑餓培養 24 h,消化、計數,以 3×104 個/mL 的密度懸浮于無血清、含 10 ng/mL 表皮細胞生長因子(EGF)、10 ng/mL 成纖維細胞生長因子(FGF)、B27 等物質的培養液(即 SFM 培養液)中,于恒溫箱中孵育(培養條件見參考文獻[9]),隔日添加 SFM 培養液 2 mL,共培養 2 周。
1.3.3 腫瘤細胞克隆形成實驗
分別取處于對數生長期的 HCT116 細胞和 HCT116 球細胞,消化、吹打均勻,分散成單細胞懸液,以 300 個/孔的細胞密度分別接種于含 McCoy’s 5a 培養基的 6 孔板中(每種細胞 3 個孔)。恒溫箱中孵育觀察(培養條件見參考文獻[9]),當出現肉眼可見的克隆集落時停止培養,行結晶紫染色,鏡下對克隆集落進行計數,并計算克隆形成率〔克隆形成率(%)=克隆形成數(個)/細胞接種數(個)×100%)〕。
1.3.4 建立裸鼠皮下成瘤模型
分別將處于對數生長期的 HCT116 細胞和 HCT116 球細胞進行消化、計數,再以 3×106 個腫瘤細胞的劑量分別注射于裸鼠左、右肩胛區皮下,左側注射 HCT116 球細胞懸液,右側注射 HCT116 細胞懸液,在相同飼養條件下觀察裸鼠兩側的腫瘤生長情況。于注射腫瘤細胞后第 4 周末處死成瘤裸鼠,測量腫瘤的體積。腫瘤體積的計算公式:體積(cm3)=1/2×長徑(cm)×〔短徑(cm)〕2。
1.3.5 Western blotting 法檢測 DVL3 的表達
分別提取處于對數生長期的 HCT116 細胞和 HCT116 球細胞的細胞蛋白(各 6 個復孔),采用 BCA 法行蛋白定量測定。行聚丙烯酰氨凝膠蛋白電泳,以半干轉法轉膜,再以 DVL3 單克隆抗體和兔抗人抗體相繼孵育,最后采用成像系統曝光顯影。以目的蛋白條帶和 GAPDH 條帶灰度值的比值作為目的蛋白的相對表達水平。詳細操作見參考文獻[9]。
1.4 統計學方法
采用 SPSS 22.0 統計軟件處理有關數據。計量資料采用均數±標準差(
±s)表示,統計方法根據設計類型相應采用配對 t 檢驗或成組 t 檢驗;計數資料的統計方法采用 Fisher 確切概率法。檢驗水準 α=0.05。
2 結果
2.1 HCT116 細胞及 HCT116 球細胞的培養結果
HCT116 細胞在含 10% 胎牛血清的培養液中呈現分散且不規則的貼壁生長(圖 1a),而在含生長因子的無血清 SFM 培養基中,HCT116 球細胞呈現密集的球團樣生長(圖 1b)。

2.2 HCT116 細胞及 HCT116 球細胞的細胞克隆形成實驗結果
HCT116 細胞組的克隆集落數量分別為 8 個、10 個和 16 個,克隆形成率分別為 2.7%、3.3% 和 5.3%;而 HCT116 球細胞組的克隆集落數量分別為 84 個、78 個和 96 個,克隆形成率分別為 28.0%、26.0% 和 32.0%(圖 2)。2 組細胞的克隆形成率比較差異有統計學意義(t=21.16,P<0.05),HCT116 球細胞組的克隆形成率較高。

2.3 HCT116 細胞及 HCT116 球細胞的裸鼠皮下成瘤結果
2.3.1 皮下成瘤情況
HCT116 細胞組(右側)形成腫瘤 11 只,腫瘤形成率為 55.0%,其中形成 1 個腫瘤 10 只,形成 2 個腫瘤 1 只,共計 12 個腫瘤; HCT116 球細胞組(左側)形成腫瘤 18 只,腫瘤形成率為 90.0%,其中形成 1 個腫瘤 15 只,形成 2 個腫瘤 2 只,形成 3 個腫瘤 1 只,共計 22 個腫瘤(圖 3)。2 組的腫瘤形成率比較差異有統計學意義(P=0.039),HCT116 球細胞組較高(表 1)。


2.3.2 腫瘤形態觀察
第 4 周末時,取裸鼠雙側腫瘤組織,記錄每只裸鼠各側腫瘤體積的總和,結果 HCT116 細胞組裸鼠的腫瘤體積為(92±31)mm3,HCT116 球細胞組為(298±85)mm3,HCT116 球細胞組裸鼠的腫瘤體積較大(圖 3),差異有統計學意義(t=9.27,P<0.05)。
2.4 Western blotting 檢測結果
Western blotting 結果顯示,HCT116 細胞中 DVL3 的表達水平為 0.12±0.05,HCT116 球細胞為 0.35±0.10,HCT116 球細胞較高,差異有統計學意義(t=4.31,P<0.05),見圖 4。

3 討論
結直腸癌目前已是國內外常見的惡性腫瘤,在我國其發病率及死亡率位居所有惡性腫瘤的第 3~5 位,且其發病率和死亡率呈現出逐年上升的趨勢,對人類身體健康具有非常重要的影響[10]。目前,對于結直腸癌的治療主要是采取手術切除聯合放化療的方案,但其預后仍然不理想。近年來,研究[11]表明,結直腸癌較差的預后可能與 CSCs 的持續存在有密切關系。
自 20 世紀 90 年代 Bonnet 等[12]首次在白血病患者血液中分離出白血病干細胞以來,不斷有研究者[13-15]發現在結腸癌、乳腺癌、腦瘤等多種實性腫瘤組織中也都有 CSCs 的存在。CSCs 具有一種特殊的生長方式,能在含有生長因子的無血清培養基中懸浮生長且形成腫瘤干細胞球團,并能連續傳代培養,而普通腫瘤細胞由于不能貼壁而發生失巢凋亡[16]。研究[17-20]表明,在無血清培養基中培養的腫瘤球細胞較普通腫瘤細胞更加接近 CSCs 的特性,并在侵襲性、致瘤能力、增殖能力等方面較普通腫瘤細胞顯著增強。有多位學者[20-23]利用流式細胞儀檢測了無血清培養基培養的球細胞中腫瘤相關表面標志物的表達,結果發現,腫瘤球細胞表達干細胞的特異性表面標志物,如 CD133、CD44 等分子,且表達水平較普通腫瘤細胞顯著增高,并認為無血清培養法篩選是獲取 CSCs 的可取方法;在對無血清培養法與免疫磁珠篩選法進行比較后發現,此 2 種方法篩選的腫瘤細胞均能夠展示出干細胞特性,從而進一步肯定了無血清培養法篩選 CSCs 的價值。目前,對于 CSCs 致瘤能力的研究普遍以免疫缺陷型裸鼠體內成瘤實驗作為最重要的參考依據[24]。因此,本實驗選擇裸鼠進行成瘤能力的實驗。
本次實驗通過克隆集落形成和裸鼠皮下成瘤實驗,比較了 HCT116 細胞與 HCT116 球細胞成瘤能力的差異,結果顯示:① 體外克隆實驗結果表明,人結直腸 HCT116 球細胞的細胞集落形成率高于 HCT116 細胞,從而推測 HCT116 球細胞具有更強的增殖能力;② 裸鼠皮下成瘤實驗結果表明,HCT116 球細胞組的成瘤率為 90.0%,高于 HCT116 細胞組的 55.0%,且在第 4 周末時 HCT116 球細胞組的腫瘤體積較 HCT116 細胞組大,因此推測 HCT116 球細胞較 HCT116 細胞具有更強的致瘤能力和成瘤敏感性。
Wnt 信號通路不僅是維持干細胞生長、自我更新等干細胞樣特性的關鍵通路,而且其異常活化或突變也與結腸癌的發生有著密切的聯系[25-26]。相關研究[27-28]表明,DVL3 能夠阻滯細胞質內 β-catenin 蛋白的磷酸化并抑制其降解,從而促使 β-catenin 進入細胞核內誘導 Wnt 靶基因的轉錄,最終導致腫瘤的發生,因而在腫瘤形成和發展過程中發揮著關鍵的作用。本實驗結果表明,DVL3 在致瘤能力更強的 HCT116 球細胞中的表達水平高于 HCT116 細胞,提示人結直腸 HCT116 球細胞的高致瘤性可能與高表達的 DVL3 有關,但需進一步研究驗證。
腫瘤干細胞(cancer stem cells,CSCs)是腫瘤中少數具有干細胞特征的一類腫瘤細胞,具有無限增殖、多向分化潛能以及自我更新的特點,其與腫瘤的生存、增殖、轉移及復發關系密切[1]。以 CSCs 的表面分子為標記進行免疫磁珠或流式細胞分選是目前 CSCs 篩選和富集的重要方法,但由于獲取的 CSCs 數量少且費用昂貴,因而未能廣泛應用[2-3]。Cariati 等[4]研究發現,在無血清培養液中培養出的腫瘤球細胞同樣具有 CSCs 樣特性,從而為 CSCs 的研究提供了廣闊的空間。蓬亂蛋白(dishevelled,DVL)是 Wnt 信號通路中的重要蛋白,其廣泛存在于細胞質中,目前已發現人體內存在 DVL1、DVL2 及 DVL3三種異構體[5]。多中心研究[6-8]表明,DVL3 具有促進肝癌、肺癌、宮頸癌等多種惡性腫瘤增殖、侵襲和轉移的能力。然而,目前對 DVL3 在結直腸腫瘤中的作用及其機制尚不清楚。因此,本實驗以無血清培養法培養的腫瘤球細胞為基礎,探索人結直腸癌 HCT116 細胞系及其球細胞的成瘤能力,以及 DVL3 在上述 2 種細胞中表達水平的差異。
1 材料與方法
1.1 實驗動物
健康、清潔 SPF 級 BALC 雌性裸鼠 20 只,4~5 周齡,體質量 16~20 g,由成都達碩實驗動物有限公司提供,批號為 SCXK(川 2015-030),購回后于 獨立通氣籠盒(individual ventilated cages,IVC)內適應性飼養 5 d。
1.2 主要材料、試劑與設備
主要材料與試劑:人結直腸癌 HCT116 細胞系購于美國模式菌種收集中心(ATCC),達爾伯克必需基本培養基(DMEM)/F-12 培養基、McCoy’s 5a 培養基、無血清培養基添加因子(B27)和牛血清白蛋白(BSA)均購于博士德生物工程有限公司,生長因子購于美國 PeproTech 公司,Gibco 胎牛血清購于美國賽默飛世爾科技公司,兔抗人 DVL3、甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)和羊抗兔二抗均購于美國 Santa Cruz 公司,Western blotting 試劑盒購于上海碧云天生物技術公司。主要設備:BIO-RAD 電泳儀及 Biorad Trans-Blot SD Semi-Dry Transfer Cell 轉膜儀均系 Bio-Rad 中國公司產品,Vilber Fusion Solo4 顯影成像系統系北京 VILBER 公司產品,DMIL Leica 顯微鏡購于徠卡顯微鏡中國有限公司,CCL-170B-8 ESCO 恒溫箱購于藝斯高上海貿易有限公司。
1.3 實驗方法
1.3.1 HCT116 細胞的培養
配制含 10% 胎牛血清的 McCoy’s 5a 培養基,接種 HCT116 細胞于培養瓶中,恒溫箱孵育(培養條件見參考文獻[9])。根據培養瓶中細胞的貼壁狀態,選擇細胞貼壁 70%~80% 且活性較好時進行消化傳代(具體操作見參考文獻[9])。
1.3.2 HCT116 球細胞的培養
取處于對數生長期的 HCT116 細胞于無血清培養液中饑餓培養 24 h,消化、計數,以 3×104 個/mL 的密度懸浮于無血清、含 10 ng/mL 表皮細胞生長因子(EGF)、10 ng/mL 成纖維細胞生長因子(FGF)、B27 等物質的培養液(即 SFM 培養液)中,于恒溫箱中孵育(培養條件見參考文獻[9]),隔日添加 SFM 培養液 2 mL,共培養 2 周。
1.3.3 腫瘤細胞克隆形成實驗
分別取處于對數生長期的 HCT116 細胞和 HCT116 球細胞,消化、吹打均勻,分散成單細胞懸液,以 300 個/孔的細胞密度分別接種于含 McCoy’s 5a 培養基的 6 孔板中(每種細胞 3 個孔)。恒溫箱中孵育觀察(培養條件見參考文獻[9]),當出現肉眼可見的克隆集落時停止培養,行結晶紫染色,鏡下對克隆集落進行計數,并計算克隆形成率〔克隆形成率(%)=克隆形成數(個)/細胞接種數(個)×100%)〕。
1.3.4 建立裸鼠皮下成瘤模型
分別將處于對數生長期的 HCT116 細胞和 HCT116 球細胞進行消化、計數,再以 3×106 個腫瘤細胞的劑量分別注射于裸鼠左、右肩胛區皮下,左側注射 HCT116 球細胞懸液,右側注射 HCT116 細胞懸液,在相同飼養條件下觀察裸鼠兩側的腫瘤生長情況。于注射腫瘤細胞后第 4 周末處死成瘤裸鼠,測量腫瘤的體積。腫瘤體積的計算公式:體積(cm3)=1/2×長徑(cm)×〔短徑(cm)〕2。
1.3.5 Western blotting 法檢測 DVL3 的表達
分別提取處于對數生長期的 HCT116 細胞和 HCT116 球細胞的細胞蛋白(各 6 個復孔),采用 BCA 法行蛋白定量測定。行聚丙烯酰氨凝膠蛋白電泳,以半干轉法轉膜,再以 DVL3 單克隆抗體和兔抗人抗體相繼孵育,最后采用成像系統曝光顯影。以目的蛋白條帶和 GAPDH 條帶灰度值的比值作為目的蛋白的相對表達水平。詳細操作見參考文獻[9]。
1.4 統計學方法
采用 SPSS 22.0 統計軟件處理有關數據。計量資料采用均數±標準差(
±s)表示,統計方法根據設計類型相應采用配對 t 檢驗或成組 t 檢驗;計數資料的統計方法采用 Fisher 確切概率法。檢驗水準 α=0.05。
2 結果
2.1 HCT116 細胞及 HCT116 球細胞的培養結果
HCT116 細胞在含 10% 胎牛血清的培養液中呈現分散且不規則的貼壁生長(圖 1a),而在含生長因子的無血清 SFM 培養基中,HCT116 球細胞呈現密集的球團樣生長(圖 1b)。

2.2 HCT116 細胞及 HCT116 球細胞的細胞克隆形成實驗結果
HCT116 細胞組的克隆集落數量分別為 8 個、10 個和 16 個,克隆形成率分別為 2.7%、3.3% 和 5.3%;而 HCT116 球細胞組的克隆集落數量分別為 84 個、78 個和 96 個,克隆形成率分別為 28.0%、26.0% 和 32.0%(圖 2)。2 組細胞的克隆形成率比較差異有統計學意義(t=21.16,P<0.05),HCT116 球細胞組的克隆形成率較高。

2.3 HCT116 細胞及 HCT116 球細胞的裸鼠皮下成瘤結果
2.3.1 皮下成瘤情況
HCT116 細胞組(右側)形成腫瘤 11 只,腫瘤形成率為 55.0%,其中形成 1 個腫瘤 10 只,形成 2 個腫瘤 1 只,共計 12 個腫瘤; HCT116 球細胞組(左側)形成腫瘤 18 只,腫瘤形成率為 90.0%,其中形成 1 個腫瘤 15 只,形成 2 個腫瘤 2 只,形成 3 個腫瘤 1 只,共計 22 個腫瘤(圖 3)。2 組的腫瘤形成率比較差異有統計學意義(P=0.039),HCT116 球細胞組較高(表 1)。


2.3.2 腫瘤形態觀察
第 4 周末時,取裸鼠雙側腫瘤組織,記錄每只裸鼠各側腫瘤體積的總和,結果 HCT116 細胞組裸鼠的腫瘤體積為(92±31)mm3,HCT116 球細胞組為(298±85)mm3,HCT116 球細胞組裸鼠的腫瘤體積較大(圖 3),差異有統計學意義(t=9.27,P<0.05)。
2.4 Western blotting 檢測結果
Western blotting 結果顯示,HCT116 細胞中 DVL3 的表達水平為 0.12±0.05,HCT116 球細胞為 0.35±0.10,HCT116 球細胞較高,差異有統計學意義(t=4.31,P<0.05),見圖 4。

3 討論
結直腸癌目前已是國內外常見的惡性腫瘤,在我國其發病率及死亡率位居所有惡性腫瘤的第 3~5 位,且其發病率和死亡率呈現出逐年上升的趨勢,對人類身體健康具有非常重要的影響[10]。目前,對于結直腸癌的治療主要是采取手術切除聯合放化療的方案,但其預后仍然不理想。近年來,研究[11]表明,結直腸癌較差的預后可能與 CSCs 的持續存在有密切關系。
自 20 世紀 90 年代 Bonnet 等[12]首次在白血病患者血液中分離出白血病干細胞以來,不斷有研究者[13-15]發現在結腸癌、乳腺癌、腦瘤等多種實性腫瘤組織中也都有 CSCs 的存在。CSCs 具有一種特殊的生長方式,能在含有生長因子的無血清培養基中懸浮生長且形成腫瘤干細胞球團,并能連續傳代培養,而普通腫瘤細胞由于不能貼壁而發生失巢凋亡[16]。研究[17-20]表明,在無血清培養基中培養的腫瘤球細胞較普通腫瘤細胞更加接近 CSCs 的特性,并在侵襲性、致瘤能力、增殖能力等方面較普通腫瘤細胞顯著增強。有多位學者[20-23]利用流式細胞儀檢測了無血清培養基培養的球細胞中腫瘤相關表面標志物的表達,結果發現,腫瘤球細胞表達干細胞的特異性表面標志物,如 CD133、CD44 等分子,且表達水平較普通腫瘤細胞顯著增高,并認為無血清培養法篩選是獲取 CSCs 的可取方法;在對無血清培養法與免疫磁珠篩選法進行比較后發現,此 2 種方法篩選的腫瘤細胞均能夠展示出干細胞特性,從而進一步肯定了無血清培養法篩選 CSCs 的價值。目前,對于 CSCs 致瘤能力的研究普遍以免疫缺陷型裸鼠體內成瘤實驗作為最重要的參考依據[24]。因此,本實驗選擇裸鼠進行成瘤能力的實驗。
本次實驗通過克隆集落形成和裸鼠皮下成瘤實驗,比較了 HCT116 細胞與 HCT116 球細胞成瘤能力的差異,結果顯示:① 體外克隆實驗結果表明,人結直腸 HCT116 球細胞的細胞集落形成率高于 HCT116 細胞,從而推測 HCT116 球細胞具有更強的增殖能力;② 裸鼠皮下成瘤實驗結果表明,HCT116 球細胞組的成瘤率為 90.0%,高于 HCT116 細胞組的 55.0%,且在第 4 周末時 HCT116 球細胞組的腫瘤體積較 HCT116 細胞組大,因此推測 HCT116 球細胞較 HCT116 細胞具有更強的致瘤能力和成瘤敏感性。
Wnt 信號通路不僅是維持干細胞生長、自我更新等干細胞樣特性的關鍵通路,而且其異常活化或突變也與結腸癌的發生有著密切的聯系[25-26]。相關研究[27-28]表明,DVL3 能夠阻滯細胞質內 β-catenin 蛋白的磷酸化并抑制其降解,從而促使 β-catenin 進入細胞核內誘導 Wnt 靶基因的轉錄,最終導致腫瘤的發生,因而在腫瘤形成和發展過程中發揮著關鍵的作用。本實驗結果表明,DVL3 在致瘤能力更強的 HCT116 球細胞中的表達水平高于 HCT116 細胞,提示人結直腸 HCT116 球細胞的高致瘤性可能與高表達的 DVL3 有關,但需進一步研究驗證。