研究背景

本研究发现，上皮-间质转化（EMT）在转移性癌症进展中至关重要，但2D单层培养无法充分模拟3D肿瘤微环境的复杂性。通过3D培养下的转录组学荟萃分析，揭示了3D EMT的独特基因特征，包括由Angptl4协调的细胞外基质重塑。利用可编程的3D癌症培养物，模拟了肿瘤微环境的刚度水平，并发现Angptl4是抑制EMT和癌症进展的潜在治疗靶点。通过抑制Angptl4，可以降低肿瘤的转移性潜能和生长。

研究结果

三维培养中癌细胞发生间充质转化的机械敏感基因特征。该研究通过荟萃分析，识别了在3D培养中人类癌细胞间充质转化过程中广泛存在的独特转录组特征。通过比较3D与2D培养条件下的差异表达基因，发现上调基因数量显著，表明3D培养激活了新的基因集。此外，研究团队还发现间充质诱导导致特定基因的差异表达，并通过基因本体分析和PPI网络分析进一步探索了这些基因的功能和相互作用。最终确定了在3D培养中癌细胞生长和间充质转化中涉及的潜在抗转移靶点。

图1 鉴定参与三维培养和间质转化的 DEGs

Angptl4 基因是三维间充质体特征的枢纽基因。该研究建立了两种具有可调刚度的水凝胶（胶原-藻酸盐和PEGDA-GelMA），模拟不同身体组织的生物物理环境，研究3D MKN74癌细胞培养中的EMT反应。实验发现，随着基质刚度的增加，孔隙率和孔径均减小，且高刚度基质中癌细胞的EMT反应更为强烈。该研究还评估了水凝胶在3D细胞培养中的稳定性，发现PEGDA-GelMA水凝胶具有更高的稳定性。通过对比单层培养和3D培养中癌细胞在EMT过程中的基因表达，揭示了细胞外基质刚度对基因表达的影响，特别是与ECM重塑和整合素信号传导相关的基因。其中，Angptl4基因在3D培养中显著上调，并与较差的癌症预后相关。通过中和抗体阻断Angptl4功能，减弱了3D EMT的响应，表明Angptl4是潜在的抗转移靶点。

图2 具有可调硬度的胶原-精氨酸和 PEGDA-GelMA 水凝胶

人类 Angptl4 基因的机制调节。本研究发现3D培养中Angptl4基因的表达具有机械敏感性，但对其机械调节机制了解有限。研究确定了Angptl4基因中的两个潜在调节位点DHS1和DHS2，并发现YAP（一种机械转导的主要调节因子）与DHS1相关，而与DHS2无关。随着基质刚度增加，YAP在DHS1的占有率也增加，且DHS1中存在EGR-1转录因子结合位点。进一步的研究表明，YAP和EGR-1在DHS1处相互作用，支持Angptl4基因通过YAP:EGR-1在近端启动子处进行机械-转录调节。

图3 在不同硬度的三维癌症模型中，TGF-1和DMOG诱导的EMT

Angptl4 缺陷可减轻 EMT 增强的化疗抗性。本研究发现Angptl4在癌症的侵袭性过程中（如EMT、化疗耐药等）起重要作用，并可能是一个潜在的抗转移靶点。通过3D球体模型实验，研究人员发现Angptl4敲低或中和可降低癌细胞球体的形成能力和存活率，并减弱与EMT相关的化疗耐药性。这些发现为理解Angptl4在癌症发展中的作用以及开发新的抗癌疗法提供了重要线索。在3D球体模型实验过程中，研究人员使用JuLI™ Stage实时活细胞成像分析仪，每隔24小时拍摄一次图像，每孔至少拍摄3个位点来记录整实验过程。

图4 免疫阻断 Angptl4 可减轻球形体的形成

基质刚性增强 EMT。通过体内实验发现，将MKN74细胞与PEGDA-GelMA水凝胶结合注入小鼠体内后，Angptl4的表达量显著增加，并伴随EMT相关转录因子的上调和上皮基因的下调，表明更坚硬的基质促进了EMT反应。进一步通过膀胱癌原位异种移植模型发现，阻断Angptl4可有效减少膀胱肿瘤异种移植物的生长，表明Angptl4缺乏症能减弱EMT、化疗耐药性和肿瘤生长。

图5 基质硬度增加会促进肿瘤生长和 EMT

研究结论

本研究揭示了肿瘤微环境中物理刚度对癌细胞EMT信号控制的动态影响，以及Angptl4作为关键参与者的复杂作用。未来的研究将进一步探索Angptl4作为抗转移治疗靶点的潜力，并开发针对晚期癌症的新疗法。