Rapid uptake of glucose and lactate, and not hypoxia, induces apoptosis in three-dimensional tumor tissue culture

doi:10.1039/c4ib00001c

.2014年4月；6(4):399-410.

doi:10.1039/c4ib00001c。 Epub 2014年2月6日。

快速摄取葡萄糖和乳酸而非缺氧诱导三维肿瘤组织培养中的细胞凋亡

瑞秋·W·卡辛斯卡斯¹, 拉贾·文卡塔苏布拉曼尼亚, 尼尔·S·福布斯

附属公司

PMID： 24503640
预防性维修识别码：项目经理4090142
内政部： 10.1039/c4ib00001c

快速摄取葡萄糖和乳酸而非缺氧诱导三维肿瘤组织培养中的细胞凋亡

瑞秋·W·卡辛斯卡斯等。集成生物（Camb）. 2014年4月.

.2014年4月；6(4):399-410.

doi:10.1039/c4ib00001c。 Epub 2014年2月6日。

作者

瑞秋·W·卡辛斯卡斯¹, 拉贾·文卡塔苏布拉曼尼亚, 尼尔·S·福布斯

附属

¹美国马萨诸塞州阿默斯特市撒切尔路240号马萨诸塞大学化学工程系N525生命科学实验室，邮编：01003。forbes@ecs.umass.edu。

PMID： 24503640
预防性维修识别码：项目经理4090142
内政部： 10.1039/c4ib00001c

摘要

肿瘤组织中细胞代谢的空间排列严重影响着癌症的治疗。然而，扩散和细胞摄取如何在三维上与细胞内代谢和细胞死亡相关尚不清楚。为了量化这些机制，使用荧光显微镜和多细胞肿瘤柱状体测量pH值和氧气分布，并量化活细胞、凋亡细胞和坏死细胞的分布。球状分解、酶分析和质谱法用于测量葡萄糖、乳酸和谷氨酰胺的浓度分布。使用数学模型整合这些测量值并计算代谢率参数。发现直径大于500μm的大圆柱状体含有凋亡和坏死细胞，而小圆柱状体则含有凋亡而非坏死细胞。柱状体的中心呈酸性，但不缺氧。从边缘到中心，葡萄糖、乳酸和谷氨酰胺的浓度迅速下降。在整个细胞团中，乳酸被消耗而非产生。这些测量结果表明，细胞凋亡是细胞死亡的主要机制；酸度不是由乳酸引起的；细胞死亡是由碳源耗尽而非缺氧引起的。数学模型表明，葡萄糖和乳酸的转运酶没有饱和；氧摄取受细胞内代谢的限制；氧吸收不受膜转运或扩散的限制。跨膜摄取不饱和可能是癌症增殖和凋亡状态的原因。这些结果表明，转运体酶是治疗氧合良好肿瘤的良好靶点。

PubMed免责声明

数字

**图1。体外肿瘤模拟技术：圆柱体和球体分离**
A）多细胞肿瘤球体的图像，具有透明的可存活外围和不透明的坏死核心。B）肿瘤柱状体是由孔板底部和连接在孔板盖上的塞子之间的约束球体形成的。塞子在板底部上方间隔150μm。这些井是填充介质，通过显微镜可以从底部观察到圆柱体的内部区域。C）细胞的代谢含量作为半径的函数，是通过从同心外壳中分离细胞的连续几轮解离来确定的。

**图2。细胞活力和凋亡在大小圆柱体中的分布**
A）大小圆柱体的透射和荧光图像。荧光图像显示使用活/死细胞活力分析的活细胞和死细胞的位置。比例尺为200μm。B）对大小圆柱体的透射和荧光图像进行染色，以确定激活的caspase-3，即凋亡指示物。C、 D）存活细胞、坏死细胞和激活caspase-3的细胞在小种群中的径向分布(C类; 直径<500μm；n个=5表示活/死；n个=6表示凋亡）和大型(D类; 直径>500μm; n个=5（活/死）；n个=3代表凋亡）圆柱体。一些错误很小，数据标记使条形图变得模糊。E） 10%圆柱体种群内部和外部的存活、坏死和凋亡程度。与大圆柱体相比，小圆柱体中心的细胞存活率更高（*，P<0.001）；大圆柱体中心的细胞死亡更大（*，P<0.001）；小圆柱体和大圆柱体的中心凋亡率均高于外围（*，P<0.001）。在大圆柱体中，外围的存活率更高（*，P<0.001），中心的死亡率更大（*，P<0.001）。

**图3。肿瘤柱状体的氧浓度和细胞外pH值分布**
A）用三（4,7-二苯基-1,10-菲咯啉）二氯钌染色的柱状液的透射和荧光图像。荧光图像的亮度与氧气浓度成反比。明亮区域的氧气浓度较低，而黑暗区域的氧气含量较高。B）环境空气中DMEM中Ru-dpp的两点校准（159 mmHg O₂)和纯氮（0 mmHg O₂). C）氧分压（pO₂)肿瘤圆柱体的径向轮廓(n个=14). 误差条表示平均值的标准误差。归一化半径小于0.975时的氧浓度低于边缘处的氧浓度（*，P<0.01）。D） BCECF染色圆柱状体的透射和荧光图像。E）肿瘤柱状体的径向pH分布(n个=54). 归一化半径在0到0.5之间时的pH值低于0.875（*，P<0.005）。误差条表示平均值的标准误差。

**图4。球体中四种细胞内代谢物的浓度分布**
的配置文件(A类)葡萄糖(B类)乳酸(C类)谷氨酰胺和(D类)谷氨酸与归一化半径的关系(n个=3). 平均球体半径为287μm。每个点代表从一组球体的外缘移除的单层细胞。葡萄糖和谷氨酰胺的浓度(A类,C类)内三层低于外边缘（*，P<0.05）。乳酸浓度(B类)内四层低于边缘（*，P<0.05）。谷氨酸浓度(D类)不随半径减小。误差条表示平均值的标准误差。

**图5。球体中细胞内氨基酸的浓度分布**
A）三种必需氨基酸：缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的径向浓度分布(n个=3). 归一化半径为0.70时，这三个区域的浓度均低于外边缘（*，P<0.05）。B）五种非必需氨基酸的径向浓度分布：丙氨酸、甘氨酸、脯氨酸、丝氨酸和天冬氨酸(n个=3). 归一化半径为0.70时，所有五个样本的浓度均低于外边缘（*，P<0.05）。

**图6。新陈代谢和扩散的计算分析**
A–C）测量值和浓度的计算预测*（A）*葡萄糖，*（B）*乳酸，以及*（C）*氧气。在测量和模型中，葡萄糖和乳酸在边缘被完全消耗，氧气在中心被消耗。D）氧气、葡萄糖和乳酸的摄取率是半径的函数。由于细胞内代谢的化学计量比，氧摄取量大于葡萄糖和乳酸。E）假设限制细胞摄取氧气的效果。氧的吸收会在外缘减少，乳酸会产生，而不是消耗。F）降低葡萄糖速率常数的效果(k个)作为半径函数的吸收。在边缘，消费会减少，但在中心，消费会增加。

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1. Venkatasubramanian R、Henson MA、Forbes NS。整合细胞周期进展、药物渗透和能量代谢，以确定改进的癌症治疗策略。理论生物学杂志。2008;253:98–117. doi:10.1016/j.jtbi.2008.02.016。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
2. Cairns R，Papandreou I，Denko N.通过分子靶向肿瘤微环境克服癌症治疗的生理障碍。2006年Mol Cancer Res；4:61–70.-公共医学
1. Warburg O.Turmoren是好氧Glykolyse spezifisch für吗？Biochem Zietschrift公司。1929;204:482.
2. 福布斯NS、克拉克DS、布兰奇HW。生物反应工程：建模与控制。Schügerl K，Bellgardt KH，编辑。Springer Verlag；柏林：2000年。p第4.4章。
1. Tredan O，Galmarini CM，Patel K，Tannock IF。耐药性和实体瘤微环境。2007年国家癌症研究所杂志；99:1441–54.-公共医学
1. Cairns RA、Harris IS、Mak TW.癌细胞代谢的调节。《自然》杂志评论癌症。2011;11:85–95. doi:10.1038/nrc2981。-内政部-公共医学
2. Christof k HR、Vander Heiden MG、Harris MH、Ramanathan A、Gerszen RE、Wei R、Fleming MD、Schreiber SL、Cantley LC。丙酮酸激酶M2剪接亚型对癌症代谢和肿瘤生长很重要。自然。2008;452:230–U74。doi:10.1038/nature06734。-内政部-公共医学
3. Ovens MJ、Davies AJ、Wilson MC、Murray CM、Halestrap AP。AR-C155858是一种有效的单羧酸转运体MCT1和MCT2抑制剂，与涉及跨膜螺旋7-10的细胞内位点结合。生物化学杂志2010；425:523–530. doi:10.1042/bj20091515。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
4. Nicklin P、Bergman P、Zhang BL、Triantafeallow E、Wang H、Nyfeler B、Yang HD、Hild M、Kung C、Wilson C、Myer VE、MacKeigan JP、Porter JA、Wang YK、Cantley LC、Finan PM、Murphy LO。氨基酸的双向运输调节mTOR和自噬。单元格。2009;136:521–534. doi:10.1016/j.cell.2008.11.044。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
1. Tennant DA、Duran RV、Gottlieb E.靶向代谢转化用于癌症治疗。《自然》杂志评论癌症。2010;10:267–277. doi:10.1038/nrc2817。-内政部-公共医学
2. Hanai JI、Doro N、Seth P、Sukhatme副总裁。ATP柠檬酸裂解酶在体外对肿瘤干细胞产生影响。细胞死亡疾病。2013;4:e696。doi:10.1038/cddis.2013.215。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
3. Ye JB、Mancuso A、Tong XM、Ward PS、Fan J、Rabinowitz JD、Thompson CB。丙酮酸激酶M2促进从头合成丝氨酸以维持mTORC1活性和细胞增殖。美国国家科学院院刊。2012;109:6904–6909. doi:10.1073/pnas.1204176109。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学

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[1] Venkatasubramanian R、Henson MA、Forbes NS。整合细胞周期进展、药物渗透和能量代谢，以确定改进的癌症治疗策略。理论生物学杂志。2008;253:98–117. doi:10.1016/j.jtbi.2008.02.016。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学

Cairns R，Papandreou I，Denko N.通过分子靶向肿瘤微环境克服癌症治疗的生理障碍。2006年Mol Cancer Res；4:61–70.-公共医学

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[3] Cairns R，Papandreou I，Denko N.通过分子靶向肿瘤微环境克服癌症治疗的生理障碍。2006年Mol Cancer Res；4:61–70.-公共医学

[4] Warburg O.Turmoren是好氧Glykolyse spezifisch für吗？Biochem Zietschrift公司。1929;204:482.

福布斯NS、克拉克DS、布兰奇HW。生物反应工程：建模与控制。Schügerl K，Bellgardt KH，编辑。Springer Verlag；柏林：2000年。p第4.4章。

[5] Warburg O.Turmoren是好氧Glykolyse spezifisch für吗？Biochem Zietschrift公司。1929;204:482.

[6] 福布斯NS、克拉克DS、布兰奇HW。生物反应工程：建模与控制。Schügerl K，Bellgardt KH，编辑。Springer Verlag；柏林：2000年。p第4.4章。

[7] Tredan O，Galmarini CM，Patel K，Tannock IF。耐药性和实体瘤微环境。2007年国家癌症研究所杂志；99:1441–54.-公共医学

[8] Tredan O，Galmarini CM，Patel K，Tannock IF。耐药性和实体瘤微环境。2007年国家癌症研究所杂志；99:1441–54.-公共医学

[9] Cairns RA、Harris IS、Mak TW.癌细胞代谢的调节。《自然》杂志评论癌症。2011;11:85–95. doi:10.1038/nrc2981。-内政部-公共医学

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[12] Ovens MJ、Davies AJ、Wilson MC、Murray CM、Halestrap AP。AR-C155858是一种有效的单羧酸转运体MCT1和MCT2抑制剂，与涉及跨膜螺旋7-10的细胞内位点结合。生物化学杂志2010；425:523–530. doi:10.1042/bj20091515。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学

[13] Nicklin P、Bergman P、Zhang BL、Triantafeallow E、Wang H、Nyfeler B、Yang HD、Hild M、Kung C、Wilson C、Myer VE、MacKeigan JP、Porter JA、Wang YK、Cantley LC、Finan PM、Murphy LO。氨基酸的双向运输调节mTOR和自噬。单元格。2009;136:521–534. doi:10.1016/j.cell.2008.11.044。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学

[14] Tennant DA、Duran RV、Gottlieb E.靶向代谢转化用于癌症治疗。《自然》杂志评论癌症。2010;10:267–277. doi:10.1038/nrc2817。-内政部-公共医学

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[15] Tennant DA、Duran RV、Gottlieb E.靶向代谢转化用于癌症治疗。《自然》杂志评论癌症。2010;10:267–277. doi:10.1038/nrc2817。-内政部-公共医学

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