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癌症治疗:基因不稳定癌细胞中细胞骨架相关蛋白5的基因沉默

癌症治疗-基因不稳定癌细胞中细胞骨架相关蛋白5的基因沉默
sirna包封LNPs的理化性质及其内吞作用。(A)用于LNP制备的可电离脂质的结构。(B)颗粒的组成。(C)颗粒的平均尺寸(nm)、zeta电位(mV)、PDI(多分散性指数)和%包封效率。数据用三个批次配方的平均值±SEM表示(n = 3)。(D)脂质纳米颗粒的冷冻电镜图像。(E) SKOV3、NAR和A549细胞中cy5sirna标记LNP内化的共聚焦显微镜图像。图像以63×像素拍摄。Cy5标记为洋红色,用兔抗人表皮生长因子受体和山羊抗兔488抗体对细胞膜进行染色。标尺,10 μm。信贷:科学的进步(2023)。DOI: 10.1126 / sciadv.ade4800

由于缺乏靶向性药物,微管相关蛋白靶点在癌症治疗中的治疗潜力在很大程度上是一个未开发的研究领域。以色列特拉维夫大学的Sushmita Chatterjee和一个研究纳米医学、材料科学、纳米技术和生物学的研究小组研究了这种材料的治疗能力细胞骨架相关蛋白迄今为止缩写为CKAP5。这种蛋白质与微管查特吉和他的同事们通过短干扰RNA (siRNA)研究基因的分子生物学机制,将CKAP5包封在脂质纳米颗粒中用于体内递送。

研究人员筛选了20种固体相对于基因沉默来鉴定高反应耐药有丝分裂纺锤体动力学显著耗竭的细胞系用于有效的实验性癌症治疗。该团队在一个卵巢癌模型中展示了治疗潜力,沉默的ckap5脂质纳米颗粒治疗动物的存活率为80%。这项研究发表在科学的进步

这些结果强调了感兴趣的基因作为研究遗传不稳定卵巢癌的治疗靶点的重要性,以进一步阐明其作用机制。

治疗卵巢癌的新策略

卵巢癌是一种常见的死亡原因,约占4.7%癌症死亡率在女性中。主要的治疗程序包括肿瘤的最大手术切除,其次是新辅助化疗与药物联合。虽然60%-80%的患者首先对化疗有反应,但约80%-85%的患者会产生化疗耐药性。因此,人们一直在寻找新疗法治疗卵巢癌。科学家们探索了几种针对特定受体的药物尽管这些努力并没有对卵巢癌患者产生有效的效果。

癌症治疗-基因不稳定癌细胞中细胞骨架相关蛋白5的基因沉默
CKAP5基因敲除在不同癌细胞系中的剂量依赖性反应(A)用甲氧基亚硝基磺苯四唑羧苯胺(XTT)测定sickap5处理后72小时和(B) 6天的细胞活力。用指定浓度的siCKAP5-LNP处理细胞,并与同等浓度的siccontrol LNP进行比较。在指定时间点进行XTT测定。数值表示与同等浓度的siControl LNP处理的细胞相比,细胞存活率的平均百分比。每个实验至少进行3次,每次重复3次。没有表现出CKAP5敲除效果的细胞用红框突出显示。信贷:科学的进步(2023)。DOI: 10.1126 / sciadv.ade4800

许多化疗药物探索癌细胞细胞周期机制中的缺陷,以阻止周期通过有丝分裂抑制。然而,现有的靶向有丝分裂的化疗药物不区分健康和恶性细胞系,导致严重的副作用。因此,挑战在于确定与癌细胞有丝分裂相关的分子靶标。

微管相关蛋白(MAPs)

细胞有丝分裂是一个有吸引力的目标,有效地治疗各种癌症形式,其中microtubule-associated蛋白质(map)协助细胞维持细胞动力学的稳定性。其中一种蛋白是细胞骨架相关蛋白5 (CKAP5),它在多种细胞中广泛表达,调节人类细胞中微管的动态。

在这项工作中,Chatterjee及其团队筛选了CKAP5沉默在实体癌细胞系和正常非癌上皮细胞系中的作用,作为阴性对照。高遗传不稳定性的细胞对CKAP5缺失选择性敏感,而耐药卵巢癌细胞系对细胞干预表现出更高的敏感性,这表明该基因在遗传不稳定的卵巢癌细胞系中是一个有希望的治疗靶点。

癌症治疗-基因不稳定癌细胞中细胞骨架相关蛋白5的基因沉默
CKAP5沉默介导的NAR细胞死亡机制。在所有实验中,细胞分别用siccontrol或siCKAP5-LNPs (0.25 μg/ml)处理。(A)点图显示对照和处理细胞的凋亡和坏死细胞。在指定的时间点收获细胞,PI和膜联蛋白V-APC染色后进行流式细胞术。(B)凋亡细胞死亡的定量测定。数据为三个代表性实验(n = 2)的平均%总体±SEM,采用非配对t检验进行分析。(C) ckap5敲除后不同时间段的细胞周期分析。在指定的时间点收获细胞,乙醇固定后用PI染色。(D) CKAP5敲低后细胞周期不同阶段细胞数量百分比的定量测量(E)处理48小时后对照细胞和CKAP5下调细胞纺锤体形成的共聚焦显微镜图像。图像以63× 7倍变焦拍摄。 Scale bars, 10 μm. (F) Quantitative analysis of the confocal microscopy images to determine the average number of bipolar spindle formation in control versus CKAP5 down-regulated cells. Graph shows % cells with indicated spindles in control and treated cells. Data are represented as average ± SEM of 50 events and analyzed by unpaired t test. ***P < 0.0001. (G) Quantitative comparison of the mitotic spindle length between control and treated cells. The distance between two mitotic poles was counted by the ImageJ analysis tool. Data represent average spindle length ± SEM of 40 events and analyzed by unpaired t test. ***P < 0.0001. (H) Reverse transcription PCR analysis of spindle checkpoint genes after 48 and 72 hours of treatment. Data represent average fold change compared to untreated samples from two representative experiments (n = 3). ns, not significant. Credit:科学的进步(2023)。DOI: 10.1126 / sciadv.ade4800

在癌细胞系中沉默rna介导的CKAP5下调具有高敏感性

CKAP5在多种癌细胞中的表达仍有待证实。研究人员首先在一组实体癌细胞系(包括卵巢癌、结直肠癌、肺癌和头颈癌)中研究了该基因在转录水平上的表达,同时作为阴性对照检查了其在非癌细胞系中的表达。该团队使用sirna封装的脂质纳米颗粒,通过微流体混合形成,来创建均匀大小的结构,并通过低温电子显微镜

在测试的细胞系中,他们注意到有8种细胞系对CKAP5沉默具有抗性,包括正常或健康的细胞系,这意味着正常细胞对CKAP5基因下调没有反应。所有卵巢癌细胞系对基因沉默均敏感;因此,该团队专门探索了这一谱系,以进行进一步的研究。虽然研究小组下调了所有细胞系中感兴趣的基因,但只有具有高度遗传不稳定性的特定癌细胞易受CKAP5缺失的影响。

癌症治疗-基因不稳定癌细胞中细胞骨架相关蛋白5的基因沉默
ckap5沉默NAR细胞的活细胞追踪。细胞用微管蛋白标记。GFP和组蛋白H2B。mCherry分别跟随有丝分裂纺锤体和细胞核。(A)实验示意图,显示LNP添加和活细胞成像的时间轴。(B)用siccontrol或siCKAP5-LNP处理的NAR细胞的细胞周期的代表性图像。用微管蛋白标记的NAR细胞。GFP和组蛋白H2B。mCherry分别用siccontrol或siCKAP5-LNPs (0.25 μg/ml)处理。处理后12小时用旋转盘共聚焦显微镜进行活细胞成像。每15分钟采集一次图像,持续48小时。比例尺,5 μm。 (C) Average time spent in mitosis in different groups as observed with a spinning disk microscope. Data are represented as average time ± SEM from 20 cell cycle events and analyzed by unpaired t test. **P = 0.0019. (D) Cell fate with respect to time in control and treatment groups. Each bar represents a cell and its fate through different phases of the cell cycle. Credit:科学的进步(2023)。DOI: 10.1126 / sciadv.ade4800

CKAP5下调的机制:卵巢癌细胞周期阻滞和纺锤体缺陷

癌症生物学家研究了CKAP5下调介导的细胞死亡机制,通过开发一种凋亡试验,使用碘化丙啶-膜联蛋白V染色。他们注意到转染沉默后细胞凋亡(细胞死亡)通过脂质载体进入感兴趣的细胞系。CKAP5耗竭对纺锤体损伤的反应显示,阻滞的细胞显著增加中期,与对照细胞系和未经处理的细胞相比。该过程涉及多中心纺锤体形成、细胞周期抑制和凋亡,并伴有纺锤体检查点基因上调。

该团队研究了另外两种卵巢癌细胞系的细胞周期抑制,以显示其行为的相似性,以表明细胞活力的抑制。当他们将这些结果与非癌性正常上皮细胞系进行比较时,它们的活力和细胞周期状态未受影响。虽然所有敏感的癌细胞系对CKAP5基因敲低的反应都增加了凋亡细胞死亡,但也有无反应的癌细胞系没有发生凋亡细胞死亡。

研究人员检查了基因沉默细胞系中细胞凋亡的机制,以了解细胞的命运。由于沉默基因是通过脂质载体转移的,他们还研究了脂质纳米颗粒在肝脏、脾脏和肿瘤组织中的生物分布荧光活化细胞分选方法

癌症治疗-基因不稳定癌细胞中细胞骨架相关蛋白5的基因沉默
CKAP5沉默介导的对有丝分裂过程中NAR细胞微管动力学和定位的影响。(A)对照组和ckap5沉默组EB3定位的代表性表型。短暂转染EB3细胞。eGFP质粒标记微管+端。转染12小时后,细胞进一步转染siccontrol /siCKAP5 LNPs,并在sirna介导的沉默30小时后进行活细胞成像。活细胞成像采用超分辨率旋转圆盘显微镜。图像以100倍分辨率拍摄。比例尺,5 μm。在90秒的时间内,每秒捕获图像。图像表示91帧的叠加图像,每帧以特定的阴影标记,如时间帧标度所示。非动态+端由于其静态特性在所有90帧中相互叠加,由于叠加而表现为白色,而动态+端由于其动态特性而在所有90帧中不叠加,因此呈现为彩虹色。 Thus, higher dynamics of tubulin result in a wider range of colors in these representative superimposed images. (B) Quantitative representation of the microtubule (MT) growth speed in control and CKAP5-silenced group. The live-cell kinetic data obtained from a spinning disk microscope was subjected to Utrack analysis using MATLAB software. **P = 0.0097. (C) Quantitative representation of the MT growth lifetime in control- and CKAP5-silenced group as measured by MATLAB analysis. (D) Quantitative representation of the MT growth length in control and CKAP5-silenced group as measured by MATLAB analysis. For all the graphical analysis in (B) to (D), the data are represented as mean ± SEM from 10 mitotic events and statistically analyzed by an unpaired t test. Credit:科学的进步(2023)。DOI: 10.1126 / sciadv.ade4800

基因敲除动物模型中异种移植肿瘤的生长和存活率的提高

在将转基因细胞系植入小鼠体内以监测肿瘤生长后,研究小组在动物模型中测试了治疗性基因沉默的效果。植入8天后,他们将小鼠随机分为治疗组、对照组和未治疗组。在给药几次后,他们通过荧光和发光成像在体内研究了肿瘤生长的动力学。治疗后动物模型牺牲后,采集肿瘤组织进行体内沉默效率测试,并进行组织解剖评估。正如预期的那样,与对照组相比,携带沉默基因的动物的基因表达大大减少,这表明实验成功。

癌症治疗-基因不稳定癌细胞中细胞骨架相关蛋白5的基因沉默
siccontrol和sickap5处理小鼠各组织的组织学研究。(A)未处理、sicap5 - lnp处理小鼠的肝脏、脾脏和异种移植肿瘤组织的H&E染色。肿瘤和肝组织的比例尺为100 μm。脾组织的比例尺为200 μm。(B)卵巢癌腹膜肿瘤组织免疫组化显示,未治疗组、对照组和sickap5 - lnp治疗组CKAP5和Ki67表达。标尺,200 μm。信贷:科学的进步(2023)。DOI: 10.1126 / sciadv.ade4800

前景

几十年来,科学家们一直以细胞周期为目标,探索癌症治疗方法,以克服与癌细胞相关的染色体异常和遗传缺陷。目前,微管蛋白靶向药物是抗有丝分裂药物的前沿。然而,研究人员迫切需要探索新的有丝分裂靶向药物。通过这种方式,Sushmita Chatterjee和他的同事展示了细胞骨架相关蛋白(CKAP5)基因通过影响微管蛋白功能在有丝分裂纺锤体组装中发挥重要作用。它的抑制作用可以在治疗遗传不稳定的卵巢癌细胞中发挥关键作用。

研究结果强调了癌细胞对CKAP5的易感性。由于卵巢癌是晚期诊断,因此研究沉默CKAP5在晚期卵巢癌转移中的可能性,对治疗其他转移和定位于卵巢的癌症具有重要意义腹腔内腔包括胰腺癌、肝癌和结肠直肠癌。

更多信息:Sushmita Chatterjee等,CKAP5的治疗性基因沉默导致遗传不稳定癌细胞的致命性,科学的进步(2023)。DOI: 10.1126 / sciadv.ade4800

Deborah K. Armstrong等,腹腔注射顺铂和紫杉醇治疗卵巢癌,新英格兰医学杂志(2006)。DOI: 10.1056 / NEJMoa052985

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引用:癌症治疗:基因不稳定癌细胞中细胞骨架相关蛋白5的基因沉默(2023,April 19)
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