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Cell Research ‖ 索拉非尼誘發HFSR的機制研究

索拉非尼 (Sorafenib )是一種口服的多靶點、多激酶抑制劑,可以靶向作用于腫瘤細胞及腫瘤血管上的絲氨酸/蘇氨酸激酶及受體酪氨酸激酶等,具有抗血管生成和抗腫瘤細胞增殖的雙重作用,已被批準用于晚期肝細胞癌、晚期腎細胞癌和轉移性甲狀腺癌患者的治療。對于大多數患者來說,索拉非尼都是一種可以產生良好療效的藥物,但是索拉非尼所誘發的不良反應——高發生率的手足皮膚反應(hand-foot skin reaction,HFSR)仍限制了其臨床應用,多項臨床試驗報告表明,索拉非尼所致的HFSR的發病率在30%到76%不等。

HFSR以掌和足底角化過度(角質層增厚)為特征,通常是由角質形成細胞的表皮穩態異常引起的,包括過度增殖和過度分化,因而角質形成細胞功能障礙在很大程度上被認為是索拉非尼誘導HFSR的主要原因。但是基于這一概念的干預策略后續被研究者證明是無效的,例如,通過預防性去除過度角化區,使用保濕霜來控制足底的過度角化,給患者更換軟鞋或者軟鞋墊等方式,這些措施對于嚴重HFSR患者的緩解作用甚微。所以對于重度的HFSR患者,仍需要減少索拉非尼劑量或中斷使用,降低所帶來的極大的HFSR副反應。但減少或者中斷索拉非尼的使用,不僅會降低癌癥治療效果,甚至會導致癌癥的惡化。由于目前對藥物引發皮膚毒性的潛在機制知之甚少,因此迫切需要基于索拉非尼誘導HFSR的潛在機制開發出有效的干預措施。

2020年,浙江大學和杭州市第一人民醫院研究團隊在《Cell Research》(IF=20.507)上聯合發表了題為“s-HBEGF/SIRT1 circuit-dictated crosstalk between vascular endothelial cells and keratinocytes mediates sorafenib-induced hand-foot skin reaction that can be reversed by nicotinamide”的研究論文。該研究揭示了血管內皮細胞促進角質形成細胞角質化的機制,并為索拉非尼誘發的HFSR提供了潛在的治療策略。


本研究中,研究者證實了血管內皮細胞是索拉非尼誘發HFSR的主要細胞靶點,血管內皮細胞釋放的可溶性肝素結合表皮生長因子s-HBEGF激活了角質形成細胞上的表皮生長因子受體(epidergrowth factor receptor,EGFR),促進下游JNK2蛋白的磷酸化,進而穩定了角質形成細胞中必不可少的角化誘導劑SIRT1,并最終引起HFSR的發生。此外,研究人員進一步證明了SIRT1抑制劑煙酰胺可以逆轉索拉非尼誘發的HFSR。從體外細胞實驗到動物實驗,再到初步臨床研究,研究人員成功應用SIRT1抑制劑煙酰胺顯著改善了10余例服用索拉非尼導致HFSR的患者癥狀,揭示了煙酰胺可能是一種很有前途的抗索拉非尼誘發HFSR的臨床治療方法。




索拉非尼誘發HFSR的機制示意圖

1. 血管內皮細胞參與索拉非尼誘發的角化過度


研究者首先通過人角質形成細胞來測試索拉非尼對角質形成細胞的直接影響。使用人原代角質形成細胞和HaCaT細胞(人永生化角質形成細胞),并以角蛋白5(KRT5)和角蛋白14(KRT14)為細胞增殖標記,以角蛋白1(KRT1)、角蛋白10(KRT10)、兜甲蛋白(LORICRIN)和外皮蛋白(IVL)作為細胞分化標記,測試了索拉非尼對角質形成細胞的直接影響。結果發現,索拉非尼沒能直接誘導角質形成細胞增殖,也沒有誘導角質形成細胞的分化。這說明,索拉非尼并不直接對角質形成細胞產生影響而引起角化過度。

接著,研究者開始探尋引發HFSR的可能因素。目前已經有報道指出,血管內皮細胞是索拉非尼的細胞靶點之一,在抗血管生成的治療中,血管內皮生長因子(VEGF)的抗體貝伐單抗顯著增加了索拉非尼誘導的HFSR的總發生率。與此同時,作者也通過實驗證實了索拉非尼對人臍靜脈內皮細胞(HUVECs)的增殖有抑制作用。基于這些研究發現,研究者提出以下假設:血管內皮細胞是否參與了索拉非尼誘導的HFSR。

為了驗證這一假設,研究者首先建立了一個模型來研究血管內皮細胞對角質形成細胞的影響,研究者用二甲基亞砜或索拉非尼孵育HUVECs(人臍靜脈內皮細胞)24 h,再用該條件培養基(CdMCTRL或CdMSORA)孵育角質形成細胞24 h,研究發現CdMSORA對細胞的增殖沒有影響,但角質形成細胞中四種分化標志物((KRT1,KRT10,LORICRIN和IVL)在mRNA表達水平上的表達明顯增加,這提示,索拉非尼通過血管內皮細胞誘導了角質形成細胞的分化(圖1)。




圖1. 血管內皮細胞參與索拉非尼誘發的HFSR

2. 血管內皮細胞通過釋放s-HBEGF參與調節索拉非尼誘發的HFSR


接著,研究者又對角質形成細胞分化的驅動因素進行了探究。在用索拉非尼處理的HUVEC培養基中,通過質譜分析檢測到了HBEGF,據報道掌跖角化病的發生與s-HBEGF(可溶性的HBEGF)水平升高有關。為了進一步探討s-HBEGF水平與HFSR嚴重程度的關系,研究者檢測了10例經索拉非尼治療后確診的HFSR患者的血清,ELISA結果顯示,與健康人相比,HFSR患者的血清中s-HBEGF的表達水平明顯增加,并且HFSR越嚴重,s-HBEGF的水平越高,這說明,s-HBEGF可能在索拉非尼誘發的HFSR中起關鍵作用。

為了進一步驗證s-HBEGF是否確實能夠介導索拉非尼誘導的HFSR,研究者進行了一系列體外實驗。首先,研究者用s-HBEGF重組蛋白(重組蛋白的濃度與索拉非尼處理的人臍靜脈內皮細胞培養液中的濃度成正比)處理人原代角質形成細胞和HaCaT細胞,細胞存活實驗顯示細胞的增殖幾乎沒有變化,但是幾種細胞分化標記物的mRNA水平明顯升高,表明s-HBEGF確實具有促角質化的作用。然后,研究者使用了HBEGF中和抗體阻斷s-HBEGF的功能,發現CdMSORA誘導的角化過度被顯著逆轉,并且HaCaT細胞中四種分化標記物的mRNA水平均顯著下降。此外,研究者還構建了HBEGF基因沉默的HUVECs,發現在HBEGF基因敲低的HUVECs中,CdMSORA未能增強索拉非尼誘導的HaCaT細胞角化。

接著,研究者又通過一系列體內試驗進行了驗證,開發出索拉非尼治療小鼠模型,實驗組小鼠注射HBEGF中和抗體,對照小鼠注射等量的IgG,30天后測量小鼠的角質層厚度。結果發現與給予IgG的索拉非尼組小鼠相比,注射HBEGF中和抗體的索拉非尼治療組的小鼠,角質層厚度顯著降低,這說明HBEGF中和抗體幾乎可完全逆轉索拉非尼誘發的角質層增厚。接著,研究者又對小鼠模型血清樣本中s-HBEGF的濃度進行了檢測,與預期一致,索拉非尼治療組小鼠的s-HBEGF水平顯著高于對照組,而抗體治療顯著降低了s-HBEGF的水平。值得注意的是,索拉非尼治療后表達最厚角質層的小鼠具有最高濃度的s-HBEGF。(圖2)。

最后,研究者又探索了在沒有索拉非尼存在的情況下,s-HBEGF是否可以誘導HFSR的產生。將靜脈注射重組小鼠s-HBEGF蛋白注射入小鼠體內,分析小鼠角質層厚度,發現s-HBEGF特異性組的角質層厚度和分化標志物的表達水平明顯高于對照組。這些結果證實了s-HBEGF在體內可以直接誘導角質化的發生。

上述結果表明,s-HBEGF在索拉非尼誘導的HFSR中介導了血管內皮細胞和角質形成細胞之間的相互作用,具體表現為索拉非尼能促進HUVECs釋放s-HBEGF,加強角質化,并可進一步導致HFSR的發生。





圖2. s-HBEGF與索拉非尼誘導的角化過度有關

3. s-HBEGF通過磷酸化JNK2穩定SIRT1進而調控索拉非尼誘發的HFSR


盡管s-HBEGF被報道參與了許多角化性疾病,但是潛在的調控機制仍然不清楚。有研究表明,s-HBEGF可以通過結合EGFR受體激活下游信號轉導,在這一發現的啟發下,研究者試圖揭開s-HBEGF觸發的過度角化病的機制。作者構建了EGFR沉默的HaCaT細胞,檢測EGFR對過度角質的影響,發現沉默HaCaT細胞中的EGFR的表達對角質形成細胞的增殖幾乎沒有影響,但其4種分化標記物的表達水平被逆轉,表現為mRNA表達水平的明顯下降,表明EGFR作為s-HBEGF受體在索拉非尼介導的角化過度中發揮關鍵作用。

為了確定s-HBEGF刺激EGFR的效應因子,在s-HBEGF重組蛋白處理的HaCaT細胞中,研究者檢測了四個經典的下游通路(AKT,STAT3、MEK和JNK1/2)的表達水平。結果顯示,只有磷酸化的JNK(p-JNK1/2)水平升高,而p-JNK1和JNK1水平沒有變化。因此研究者又通過JNK2沉默來研究JNK2在s-HBEGF觸發的角化過度中的作用,發現在p-JNK1和JNK1水平不變的情況下敲低JNK2時,能顯著降低角質形成細胞的分化,而不影響HaCaT細胞的增殖。基于上述研究結果,研究者得出,EGFR-JNK2通路的激活可能是索拉非尼誘導角化過度的重要環節(圖3)。



圖3.  EGFR-JNK2通路參與索拉非尼誘導的角化過度

據報道,JNK2可以磷酸化和穩定SIRT1,而SIRT1與角質形成細胞的分化有關。基于這一點,研究者對SIRT1的表達進行了檢測,通過Western blot和免疫組織化學染色觀察到,在CdMSORA或s-HBEGF重組蛋白處理的角質形成細胞以及索拉非尼或s-HBEGF處理的鼠爪中,SIRT1的表達水平確有增加。然而相反的是,與索拉非尼治療組相比,HBEGF抗體和索拉非尼聯合治療組中SIRT1的表達水平降低。為了進一步證實s-HBEGF激活的JNK2可以穩定角質形成細胞中的SIRT1,研究者首先證明了JNK2的敲除抵消了s-HBEGF增強的SIRT1的表達。另外,實驗發現s-HBEGF重組蛋白可以延長SIRT1在蛋白合成抑制劑CHX作用下的降解時間,并且可以磷酸化SIRT1第27位絲氨酸,同時抑制其泛素化。敲低JNK2后可以顯著逆轉s-HBEGF對SIRT1的穩定作用。因此,s-HBEGF激活的JNK2可以穩定角質形成細胞中的SIRT1(圖4)。




圖4.  s-HBEGF通過JNK2穩定SIRT1進而誘導角化過度


基于以上研究,作者假設SIRT1被p-JNK2穩定后會導致角化過度,為了證明這一點,作者評估了SIRT1沉默對索拉非尼誘導的過度角化的影響。通過敲低SIRT1,發現CdMSORA或s-HBEGF重組蛋白處理下角質形成細胞的分化有所降低,而不影響細胞的增殖。表明SIRT1的確具有促進索拉非尼誘導的角質形成細胞的分化。

接下來,研究者又進行了體內實驗,確定SIRT1在索拉非尼體內誘導HFSR中的意義:將AAV1-shRNA-Sirt1(維真生物提供,病毒滴度為1.98×10E13 vg/mL;每只鼠爪注射2.5×10E11 vg) 通過皮下注射到小鼠爪子中,結果顯示Sirt1的敲低逆轉了索拉非尼引起的角質層增厚,并且降低了角質形成細胞分化標記物的水平(圖5)。

綜上所述,JNK2被s- HBEGFf受體EGFR激活后發生磷酸化進而穩定SIRT1引起角化過度。



圖5. SIRT1參與索拉非尼誘導的角化過度


小結


研究者通過體內外實驗及臨床研究證實SIRT1抑制劑煙酰胺能顯著降低索拉非尼誘導的HaCaT細胞的分化及小鼠角質層的增厚,有效減輕HFSR患者的癥狀。這證明,煙酰胺可能是一種有效的治療索拉非尼誘導的HFSR的方法。本研究為廣大HFSR患者帶來了希望,也為藥物皮膚不良反應的研究提供了新的思路。

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