高温对癌干细胞辐射增敏的机制研究

Radiotherapy is the main treatment for cancer therapy. Cancer stem cells (CSCs) are believed to be responsible for radiotherapy failure due to their radioresistance. Killing CSCs selectively and effectively is a challenge and becomes a hot research topic. Some studies showed that hyperthermia shared similar properties with heavy ions and could also enhance radiosensitivity. However, the mechanisms of the heat-induced radiosensitivity in CSCs are still unclear. Therefore, this project intends to study the synergy effect between hyperthermia and radiation from two aspects of DNA damage repair and cell redox status. CSCs were isolated by flow cytometry. Spatiotemporal dynamics of DNA damage repair proteins in treated CSCs was elaborately studied using live cell imaging system with high spatial resolution. In addition, using Western blot and mice tumor model, the synergy effect on CSCs redox status and self-renew capacity was systematically investigated and their associations were expected to be revealed. The accomplishment of this project might illustrate the mechanisms of the heat-induced radiosensitivity in CSCs and provide new strategies of radiotherapy.

放疗是目前癌症的三大主要治疗手段之一。癌干细胞（CSCs）由于对常规放疗具有辐射抗性被认为是放疗失败的重要原因。如何有效地靶向杀伤CSCs是国内外学术界研究的热点。有研究发现高温体现出类似重离子的生物效应，而且高温能增加CSCs的辐射敏感性。然而CSCs的热辐射增敏机制尚未明确。因此，本项目拟从DNA损伤修复和细胞氧化还原状态两方面进行深入研究。通过流式细胞仪分选出CSCs，利用高分辨活细胞成像技术精细地研究高温联合辐射处理后CSCs DNA损伤修复的动力学过程。利用Western blot和小鼠肿瘤模型方法系统地研究高温联合辐射对CSCs氧化还原状态及其自我更新能力的影响。通过本项目的实施，可以深入阐明CSCs的热辐射增敏机制，为提高肿瘤的放疗效果提供新的治疗策略。

有效地靶向杀伤癌干细胞（CSCs）对提高放疗效果具有重大意义。有研究发现高温可以增强CSCs的辐射敏感性，但具体的作用机制尚未明确。本项目基于活细胞成像技术及稳转了53BP1-GFP的人纤维肉瘤细胞系，发现CSCs相对于癌细胞而言具有更少并且更小的电离辐射诱导的foci（IRIF），表明CSCs的DNA损伤较少，这可能是它产生辐射抗性的原因。当辐照后进行高温处理会延迟53BP1 IRIF的出现并减少其形成。通过对单个IRIF进行原位跟踪，发现与单独辐照相比，联合处理组产生了更多较大、较亮且修复慢的IRIF。由此表明高温可能会干扰辐射诱导的DNA损伤响应。随后，我们以乳腺癌干细胞及胰腺癌干细胞为研究对象，明确了高温增强CSCs对γ射线敏感性的条件分别是辐照后43℃处理2h以及辐照后43℃处理1.5h。接着，从细胞、分子和小鼠水平上深入研究了高温联合辐射对CSCs自我更新能力的影响。我们发现高温联合辐射会导致CSCs的成球率、克隆数量、细胞活力以及在小鼠体内的成瘤数量明显下降，说明这种联合处理能显著削弱CSCs的自我更新、存活和增殖能力。此外，通过Western blot实验发现高温联合辐射会显著地增加CSCs中hsp70和hsp27蛋白的表达、降低STAT3蛋白的表达，这可能与促进CSCs分化有关。最后，从改变细胞氧化还原状态的角度揭示了高温增强CSCs辐射敏感性的机制。我们发现高温联合辐射会显著增加CSCs胞内活性氧自由基（ROS）的含量并能降低超氧化物歧化酶（SOD）的活性。我们还发现BSO，一种抑制谷氨酸半胱氨酸连接酶的药物，能效仿高温来增强CSCs的辐射敏感性。反之，抗氧化剂NAC可以有效地拯救高温诱导的辐射敏感性，从而揭示CSCs胞内ROS水平的升高与高温诱导的辐射敏感性之间的关联，为增强CSCs的辐射敏感性提供新的策略。