文摘

浓缩的癌症干细胞(二者)被认为是负责多形性胶质母细胞瘤(GBM)放疗后复发。仿真结果从我们基于主体细胞自动机模型结果表明,二者的浓缩可能从对称的自我分裂率的增加二者或重组non-stem癌细胞(CCs)干细胞状态。基于plateau-to-peakCSC的比例分数在辐射后的肿瘤,呈下降趋势从高峰到随后的高原(即。,一个plateau-to-peak比超过1.0)被发现不符合对称增加部门单独和支持而不是一个强大的编程组件。两个一起贡献视为产品二者之间的动态平衡和CCs高度管制的单个细胞动力学,包括潜在的CCs获取干细胞状态,赋予表型可塑性的人口作为一个整体。我们得出这样的结论:肿瘤恶性肿瘤可以被一定程度的衡量癌症细胞的可塑性。

1。介绍

多形性成胶质细胞瘤是最常见和最致命的成人原发性脑瘤。茎细胞相关指标之间的相关性的表达式在GBM和不良预后观察1- - - - - -3]。二者在“绿带运动”已经被证明是治疗耐药由于他们频繁的静止状态,更高效的DNA损伤反应机制和生存微环境信号(4- - - - - -7]。CSC浓缩在“绿带运动”也被发现在典型的抗癌治疗包括放射治疗(4,7,8]。以前,我们和其他报道,电离辐射(IR)的数量可能会增加二者通过先进的dna损伤修复机制(4,8),生存和后续的扩张(抗)二者的静止部分恢复增殖状态(9),一个开关从非对称对称CSC自我更新部门(10- - - - - -12),和更快的细胞循环二者的10,12]。但是,这些研究是基于合理的信念,没有返回路径从non-stem细胞干细胞样状态,只有部分解释了二者的浓缩和由此产生的对GBM复发的影响。

二者被认为是产生遗传或表观遗传变异在正常干细胞和祖细胞(13]。而长寿和功能性自我更新途径使正常干细胞最可能的细胞起源,最近的研究加强分化后代的事实也保留重要的发育可塑性和可诱导成为肿瘤发生的各种实验方法(14- - - - - -18]。事实上,CD133−神经胶质瘤细胞已被证明在裸大鼠形成肿瘤,CD133+细胞在活的有机体内但不是在体外(19),这表明存在一定程度的表型可塑性胶质母细胞瘤细胞是高度受宿主微环境。脑部肿瘤祖细胞的表型可塑性也被观察到在少突细胞前体细胞,可重新编程的细胞外信号分子成神经干细胞,然后发展成星形胶质细胞,少突胶质细胞和神经元20.]。最近,胆量和他的同事们发现,定义致癌的改变会引起神经干细胞,分化星形胶质细胞和神经元在中枢神经系统接受去分化生成神经干细胞或祖状态启动和维持肿瘤恶化以及产生异类人群中观察到恶性神经胶质瘤(14]。生成的肿瘤和间叶细胞亚型临床观察到“绿带运动”。总的来说,这些发现表明可能发生表型归复权比此前认为的更加广泛。

细胞可塑性激发了一些兴趣调查重新编程的细胞分化成干细胞样状态,偶尔被观察照射后(21,22]。基于我们之前的研究和当前具备干细胞癌细胞的证据,我们研究了辐射的潜在影响在GBM决定细胞命运的决定,特别是细胞重新编程。本研究进一步支持命题,IR-induced调制自我更新动力学和可塑性的“绿带运动”可能导致肿瘤复发。影响的程度,这可能发生在协会与致瘤的潜在在CSC模型进行了讨论。

2。材料和方法

一个基于主体的元胞自动机模型是用来描述单个癌细胞的行为依赖于内在机制迁移,增殖和死亡。域被定义为一个二维晶格( 晶格点)在周期性边界条件下,使用摩尔小区半径为1(即。最近的邻居,8)。在任何时候一个格点可以包含一个细胞或者是空的。如果找到一个免费的格点摩尔社区内的一个细胞,细胞的成熟度增加,它可以用一个概率迁移 ,或分裂产生新细胞成熟(即提供。,一个细胞周期 )。增殖的细胞变成静止时完全被其他细胞包围时,可以进入细胞周期邻近的自由空间。

癌症干细胞和non-stem细胞被认为是。根据干细胞假说,癌症干细胞(二者)驻留在层次结构的顶部和产生祖细胞,进而产生non-stem癌细胞(CCs)。虽然二者可以无限期的时间重复,CCs能够把有限的次数(出口的。海弗利克极限;(23])。CCs的概率获得stem-state通过重组。这个事实是有用的建模来跟踪CCs基于部门的数量 他们有剩余,最后耗尽其增殖能力(假定发生后 分歧)。在这一点上,细胞变得衰老和死亡当他们试图又分为(24]。CSC可以产生两个新的二者概率 通过对称的自我分裂,两个CCs的概率 通过对称的细胞分化,或与概率 产生一个CSC和CC通过不对称分裂。在正常组织中,干细胞是由它们的微环境之间达到一个最佳的平衡激活,自我更新和分化。一个恒定的干细胞群暗示 (25我们认为),而在肿瘤 。两个CCs是由重复nonsenescent CC ( )。Nonsenescent CCs概率 每天获得stem-state通过重组。

暴露模型系统的辐射后,细胞成为细胞周期逮捕并尝试修复辐射诱导的DNA损伤(26]。我们假设在其细胞周期,细胞就会逮捕一段时间 辐照后。细胞存活率(SF)建模使用单一剂量的辐射后建立了线性二次(LQ)模型: 在哪里 剂量和 和 是特异性辐射敏感度系数(27]。的 术语描述了一个单向的和致命的事件 占细胞杀死两个独立的组合后,潜在的修复活动。我们将介绍 作为一个静止状态和辐射防护因素 作为二者的辐射防护因子(12]。

2.1。参数化

总结了模型参数与他们的价值观在12),其中大部分是基于最近使用U87-MG胶质母细胞瘤细胞系实验数据。的大小是由2 d域 。平均U87-MG细胞直径10μ100 m,因此一个格点的μ米2大小。使用8摩尔附近,估计细胞迁移步骤10.7中位移μ米(28]。考虑到初始迁移频率 ,平均在网上细胞迁移速度测量为6.9μm /模拟步骤。23.4 U87-MG细胞移动μ米/小时在体外,一个小时大约定义为4模拟步骤。U87-MG细胞的细胞周期的平均时间是估计 小时(12]。

Hillen等人表明CSC-driven肿瘤生长模型是自然相当于独立的分化对称分裂和不对称分裂的频率(29日]。因此,我们假设 在目前的模型。自我更新的对称平均概率 估计(12)通过比较二者的频率在模拟肿瘤CD133的分数+细胞U87-MG细胞系(出口的。,% CD133+= 1.8%报道金正日et al。8])。我们部门产能分配一个值 根据以往的仿真结果显示non-stem细胞侵略性肿瘤恶化,价值(30.]。基于亚稳状态,二者存在的事实和CC到CSC的通量相对较低,甚至是不存在的在大多数情况下(31日),我们认为没有内在互变现象重新编程控制人口,也就是说, 作为一个默认的条件。

辐射诱导细胞周期阻滞U87-MG细胞通过有丝分裂指数下降可观测的辐照后立即返回控制水平(约16小时后26,32]。因此,我们分配了一个细胞周期阻滞时间 为每个细胞均匀分布。使用单独使用化验后长期生存的U87-MG细胞单剂量的辐射范围从0到16 Gy,辐射敏感度系数的无约束最佳值 , 在LQ模型(1)被导出为0.3859和0.01148,分别。通过应用半辐射敏感度为环状结构单元状态(33,34),我们假设 增殖细胞, 对静止细胞。更高的抗辐射性的干细胞状态之前的研究已经证明了(4),我们得到 二者, 对CCs (12]。

3所示。结果

3.1。辐射诱导重组可能导致二者的浓缩

通过监测肿瘤种群动态随着时间的推移,我们记录的数量表型每24小时开始放射治疗后30天。在治疗后48小时 Gy,我们比较二者的平均比例在个体肿瘤实验数据在文献[4,8]。我们之前的研究表明,CD133的更高的分数+细胞观察后 Gy IR(出口的。,% CD133+= 10.5% (8];图1(一))不能在我们完成在网上研究假设相同的细胞动力学在虚假的辐照控制(出口的。%二者= 7.09%, ;图1(一)),并可能出现大CSC池从IR-induced大幅增加自我更新部门(%二者= 10.43%, ;图1(一))。(12]。相反,在当前模型中,通过引入仅为0.5% ( ,图1(一))重组概率CCs在第二次分数的辐射 Gy,二者都观察到肿瘤的10.6%,价值也接近CD133报道+比在活的有机体内(8]。同样,一个不错的选择也观察到部分调制的结合机制(% CSC = 10.8%, , ;图1(一))。

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图1
底部和顶部透明的地区(a)和(b)代表CD133的百分比+分组人口U87-MG细胞系中分次照射(之前和之后 Gy),分别8]。(一)CSC分数在网上分次照射后( Gy)在不同的机制(意味着±SD, )。CD133 (b)+分数在U87-MG人口分次照射前后也可以复制在网上通过应用一个诱导重组率。在网上肿瘤再生动力学不同利率的对称分裂和重新编程:肿瘤细胞总量(c)和(d)二者的比例。肿瘤由一个幸存的CSC保持稳定下二者的比例(e)一个常数对称分裂率或细胞“重编程”(f)不变。

如果诱导高对称的自我分裂或细胞重编程是可以继承的,侵略性的肿瘤再生观察(图1 (c))。重要的是,如果对称的自我分裂率的增加二者是持久的,二者的比例在复发性肿瘤是红外(图后第五天左右达到峰值1 (d)),即使假定重组发生,而二者的比例的增加是观察一段时间在复发性肿瘤如果诱导高对称的自我分裂率( “□”曲线;图1 (d))。画一条线plateau-to-peak= 1.0(绿色虚线;图1 (d)),这个比例可以大致的趋势表明,浓缩后二者背后的主要驱动力放射治疗可能是细胞“重编程”如果plateau-to-peak比下降;否则我们可以推断出对称的增加自我更新CSC分裂率作为驱动力。

3.2。二者之间的动态平衡,CCs是由单细胞动力学:对称的自我分裂和细胞在正常和辐照条件下重新编程

正如预期的那样,我们的模拟进一步表明,从一个CSC,二者之间的动态平衡和CCs最终将获得后代人口(图1 (e))。这个观察是类似的鲍曼等人证明在他们的研究(35),一个相对恒定的阀杆/ non-total细胞人口比率保持在结直肠癌发展对称干细胞分裂。

除了对称自我更新部门,我们发现表型平衡也提出了在给定的细胞“重编程”(即, , ),有一个积极的细胞重组率之间的相关性,二者的比例(图1 (f))。自对称的自我分裂频率的定量测定GBM细胞系或主要肿瘤仍有待确定,它是合理的调查另一个肿瘤的生长情况,二者分工不对称的自我更新。在我们的模拟中,通过假设缺乏CSC对称自我更新部门(例如, ),应用0.35%的重组率(例如, ),我们也可以复制CD133的分数+细胞U87-MG细胞系(出口的。,% CD133+= 1.8% (8];图1 (b))。后 Gy红外曝光,二者也可以复制的浓缩通过提高重组率从0.35%到1%(图1 (b))。这一发现是在协议与古普塔等人的研究表明,乳腺癌细胞表型人口的平衡可以通过随机状态转换来实现(36]。

辐照肿瘤,二者之间内在的体内平衡和CCs被辐射摄动;然而,一个新的表型平衡建立了辐射后25天左右开始(图1 (d))。目前没有数据在GBM研究来验证这种预测;然而,表型观察照射后平衡其他癌症细胞系。例如,杨等人证明了二者之间的内稳态(CD133+)和CCs (CD133- - - - - -)Swan620结肠癌细胞被辐射(伽马射线,2 Gy, 6 Gy,或2 Gy×3),而达到最终的动态平衡辐照后18天(37]。

总之,对称的自我分裂和细胞“重编程”都可以独立控制二者的平衡比例和CCs在一个肿瘤。然而,目前没有数据估计的参数,以确定哪些最适合实际的数据。显然最好的解决方案是精确测量二者的对称分裂率或大部分细胞的重组频率在这个细胞系,这将是我们未来的工作的一部分。

4所示。讨论

多项研究表明,红外扩展了一部分细胞阳性CSC制造商或侧面人口建立了神经胶质瘤细胞系和GBM患者(4- - - - - -7]。阐明机制CSC池的扩大将是无价的通知肿瘤生长、复发和对治疗的反应。我们之前发现除了更高的抗辐射性,一些CSC自我更新后被要求解释CSC报告分数一定分馏红外方案(12]。然而,证据表明,二者可能不代表稳定的细胞类型和干细胞样状态可能出现分化的肿瘤细胞在一定条件下(14- - - - - -18]。二者之间的动态平衡,因此CCs可能存在于肿瘤可以转移一个由内在或外在影响的概率信号之间的互变现象CSC和非隔间干细胞(36,37]。我们建议放疗可能诱发stemness-associated信号激活和稳定,进而扩大的干细胞样细胞在“绿带运动”(i)促进对称自我分裂,而抑制分化的承诺,和/或(ii)唤起重组的祖细胞干细胞样状态(图2(一个))。事实上,不同类型的治疗导致损伤肿瘤组织最有可能刺激相似的机制来保护和恢复肿瘤细胞群(38]。从治疗的角度来看,两种机制相关therapy-resistance,二者更耐药治疗。的plateau-to-peak二者的比例可能有助于识别和区分的机制有助于CSC浓缩和随之而来的高潜力减少复发的肿瘤复发和建议的目标,例如,二者本身的自我更新能力和编程能力的大部分人口。

(一)
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(b)
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图2
(一)潜在的机制(分离)红外二者的比例增加。辐射诱发的激活和稳定stemness-associated信号(i)促进对称自我更新部门,同时抑制分化的承诺,和/或(ii)唤起重组祖细胞的干细胞样状态。(b)致瘤性是由细胞可塑性的程度。0和1代表最小和最大,分别根据轴。

尽管伟大的见解已经使用癌症细胞系建立,例如,U87-MG,这些模型有局限性表现在肿瘤细胞的异质性。一些参数及其报告范围可以导致不同程度影响模型。例如,我们以前提出加速CSC自行车和他们的分次照射后增加了对称分裂频率可能合作扩大CSC池(12]。事实上,细胞周期持续时间变化主要在一些主要GBM肿瘤(例如, 24小时神经胶质瘤手术标本(39])和比一些已知长GBM细胞系(例如,22小时U251-MG [40为U87-MG[], 25小时12])。因为二者的频率通常是衡量相对较短的辐射暴露后(例如,辐射后48小时(4,8]),它是合理的假设较少或没有在一些辐照细胞增殖主要GBM之前执行CSC频率测量。在这个场景中,CSC浓缩更可能受细胞重编程的依赖对称CSC分裂增殖活动扩大CSC池。在我们之前的研究中,我们提出,加速干细胞循环后辐射丰富二者(可能是另一个机制12]。综上所述,我们的研究进一步表明,细胞周期分析可以作为另一个指数估计的贡献在treatment-induced CSC浓缩CSC自我更新活动。

在未来,我们将会测试这个模型GBM的临床相关的子类型(如间充质,颈板,和增生性41])与一些关键细胞参数(例如,迁移速度、增殖率、细胞凋亡率、寿命,等等)和他们的报道值范围。理想情况下,我们可能更有说服力的结论是多么敏感的这个模型每个参数的变化和扩展这个模型可以生成可靠的预测不同GBM亚型。

癌症生物学的一个基本问题是细胞与肿瘤发生的潜在内常见或罕见的肿瘤。在克隆演化模型中,大多数肿瘤细胞致瘤的潜力和瘤内异质性来自随机遗传或表观遗传变化。肿瘤发生的潜在的不一定是受细胞分化或表型变化(42)(图2 (b)实线)。证据迄今为止关于二者往往支持唯一的一个小子集的理论,而不是大部分人口,致瘤的潜力。分化的肿瘤是分层组织,二者引起的异构特性,结果non-stem癌细胞组件展示致瘤的潜在的损失(图2 (b)虚线)。当涉及到细胞可塑性在CSC模型中,nontumorigenic细胞可以恢复到更高水平的层次结构,逐步或立即重获干细胞样状态。在这种情况下,重组频率和底层细胞可塑性程度成为确定功能在肿瘤发展潜力(图2 (b)、“Δ”和“∘”)。因此,肿瘤与高可以派生具备干细胞可塑性的细胞,独立的自我更新能力,增加CSC分数和整体的致瘤性。重要的是,这一发现也可以解释为什么肿瘤之间二者是高度可变的频率。除了具备干细胞恢复,可塑性的另一个例子是在GBM细胞的能力获得endothelial-like属性(例如,通过trans-differentiation),包括它们的排列形成pseudovascular结构,参与新血管形成的过程和形成的fluid-conducting matrix-rich网络(43]。然而,重要的是要注意,虽然高重组率可能会导致更高的频率二者在一个肿瘤,外面是不合适的预测恶性潜能肿瘤微环境的上下文和主机系统。此外,另一个尚未回答的关键问题是这些radiation-evoked机制是否临时或永久。

细胞可塑性已经复杂的CSC的研究提出了一个巨大的挑战。到目前为止,自发重组只有被广泛观察到正常组织,这表明细胞“重编程”的过程是高度管制的机制来维持正常组织内稳态。然而,如果癌细胞通常规定并有相当高的可塑性,传统疗法可能要重新检查,如果引入干扰有可能调节细胞的可塑性。除了识别二者,我们需要调查动态二者和差异化的大部分肿瘤细胞如何应对微环境变化(44]。例如,缺氧(HIF1α)[45,46],epithelial-mesenchymal过渡[47),炎性细胞因子(例如,il - 6和TGFβ)[48,49,胚胎微环境(50)都可以促进CCs的重组,增加肿瘤的整体具备干细胞。值得重申的是,了解控制干细胞和分化状态的维护可能会给洞察细胞信号参与癌症,最终可能导致更有效的抗癌疗法的发展。

5。结论

通过定量分析细胞的可塑性在致瘤的潜在的背景下,我们的研究总结如下。(我)两个对称的自我更新部门的增加率和细胞表型重组可能导致二者的浓缩和GBM放疗后复发。重要的是,这两种机制可能是杰出的plateau-to-peakCSC分数比当细胞增殖礼物后一定时间内照射。(2)可以建立二者之间的动态平衡和CCs通过重组或对称的自我更新部门在正常和辐照条件。(3)细胞重新编程可以肿瘤发生过程的一个重要组成部分。癌症细胞可塑性的程度可能是一个重要的属性调整整体肿瘤具备干细胞,促进恶性肿瘤。(iv)有必要描述癌症细胞可塑性响应的量变治疗干预以通知CSC的目标控制认为有必要实现肿瘤的抑制。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这个项目没有得到了奖项。U54CA149233 (Lynn Hlatky)从美国国家癌症研究所和被告知通过对话期间支持参与2012年9月国家综合癌症生物学项目联席会议(ICBP)和物理Science-Oncology中心初级调查员(PS-OCs)在西雅图,佤邦。发表这篇论文的成本支付部分费用的支付页面。因此本文必须标记广告按照18事项部分1734只表明这个事实。