2型糖尿病是肝細胞癌(HCC)的主要危險因素。細胞外基質(ECM)力學特性的變化有助於的發展，而在肝硬化條件下，增加的剛度已知會促進HCC的進展。2型糖尿病的特徵是在ECM中積累了高階糖基化終產物(AGEs)；然而，這在非肝硬化條件下如何影響HCC尚不清楚。在這裡，斯坦福大學Natalie J. Török發現在患者和動物模型中，AGEs促進了膠原結構的變化並增強了ECM的粘彈性，表現為更大的粘性耗散和更快的應力鬆弛，但剛度沒有變化。高AGEs和粘彈性與致癌性β-連環蛋白訊號相結合促進了HCC的誘導，而抑制AGE的產生、重組AGE清除受體AGER1或破壞AGE介導的膠原交聯可以降低粘彈性和HCC的生長。基質分析和計算模型表明，AGE捆綁膠原基質的低互連性，以較短的纖維長度和更大的異質性為標誌，增強了粘彈性。在機制上，動物研究和3D細胞培養顯示，增強的粘彈性透過整合素-β1-tensin-1-YAP機械傳導途徑促進了HCC細胞的增殖和侵襲。這些結果揭示了AGE介導的結構變化增強了ECM的粘彈性，並且粘彈性可以在體內促進癌症進展，獨立於剛度。該研究以題為“Matrix viscoelasticity promotes liver cancer progression in the pre-cirrhotic liver”的論文發表在《Nature》上。
【AGEs增強肝臟粘彈性】
圖1展示了在非肝硬化狀態下，2型糖尿病(T2DM)和非酒精性脂肪肝病(NASH)患者以及小鼠模型中，基質粘彈性的變化情況。研究者們透過原子力顯微鏡(AFM)和流變學分析，發現與健康對照組相比，T2DM患者和NASH患者的肝臟樣本在載入-解除安裝迴圈中表現出更高的粘滯能量耗散和更快的應力鬆弛，這表明了更高的粘彈性。此外，透過小鼠模型，研究者們觀察到在高AGE(高階糖基化終產物)飲食(HiAD)餵養的小鼠中，肝臟的粘彈性也有所增加。這些結果表明，在肝硬化前期，AGEs在肝臟基質中的積累導致了粘彈性的增加，而這種增加的粘彈性與肝癌細胞(HCC)的增殖和侵襲有關，且這種影響與基質的硬度無關。透過抑制AGEs的產生或破壞AGE介導的膠原交聯，可以降低粘彈性並減緩HCC的生長。這些發現揭示了AGEs介導的結構變化如何增強基質粘彈性，並在體內促進癌症進展。
圖1. NASH和T2DM患者肝臟以及HiAD小鼠的粘彈性增加
【粘彈性創造了一個致瘤性生態位】
圖2展示了在小鼠模型中，透過水動力注射(HDI)技術將人類MET基因(帶有突變的β-連環蛋白)或對照載體注入到正常飲食(chow)、快餐飲食(FFD)或高AGE飲食(HiAD)的小鼠體內，以模擬非酒精性脂肪肝病(NASH)相關的肝細胞癌(HCC)發展。研究發現，在HiAD飲食餵養的小鼠中，與chow或FFD飲食的小鼠相比，觀察到了更早出現和更快生長的轉化焦點(GS和MYC標記陽性)。重要的是，透過使用吡哆醇(PM)抑制AGEs的產生或使用阿格列尼(ALT-711)破壞AGE-膠原交聯，可以減少腫瘤生長並提高生存率。此外，透過AAV8介導的AGER1(一種清除受體)的遞送，可以恢復AGER1的水平，降低AGE受體的水平，減少轉化焦點的生長。在肝細胞特異性敲除RAGE(一種促炎性AGE受體)的小鼠中，也觀察到了類似的結果，這些小鼠在HiAD飲食下，腫瘤焦點的生長減少，肝臟AGEs水平降低，同時粘彈性也有所降低。這些研究結果共同指向了一個結論：ECM中的AGEs創造了一個更具粘彈性和腫瘤生成性的微環境，這促進了HCC的發展。
圖2. HiAD上的小鼠發育出更多的轉化病灶，並表現出AGE依賴性更高的粘彈性
【網路連通性和粘彈性】
圖3透過一系列實驗研究了AGEs(高階糖基化終產物)如何調節膠原結構和網路連通性，從而導致肝臟和3D水凝膠中粘彈性的增強。研究者們首先量化了不同飲食條件下小鼠肝臟中不溶性膠原的含量，並使用SHG(二次諧波生成)顯微鏡觀察了去細胞化的肝臟ECM(細胞外基質)和膠原水凝膠中的膠原纖維長度、空間取向和連通性。與正常飲食小鼠相比，HiAD飲食餵養的小鼠肝臟中的膠原網路展現出更低的連通性和更短的纖維。在AGEs存在的情況下，重組膠原水凝膠也顯示出類似的結構變化。透過流變學測量，AGEs交聯的膠原水凝膠在保持相似硬度的同時，展現出更快的應力鬆弛。進一步的實驗，包括使用IPN(互穿聚合物網路)3D水凝膠，證實了AGEs暴露後結構和連通性的變化。使用ALT-711破壞AGE-膠原交聯可以減少不溶性膠原的含量，並增加纖維長度和網路連通性。透過模擬膠原纖維束長度和捆綁角度的變化，計算模型預測了AGEs活性導致的結構變化，即增強的異質性和較短的纖維長度，將導致更快的應力鬆弛和增強的粘彈性。這些結果表明，AGEs透過改變膠原網路的結構特性，促進了肝臟和3D水凝膠中粘彈性的增加。
圖3. AGEs調節膠原結構和網路連線，從而增強肝臟和3D水凝膠的粘彈性
【基質粘彈性透過TNS1啟用YAP】
圖4透過RNA測序(RNA-seq)和生物資訊學分析，研究了在不同飲食條件下小鼠肝臟樣本中基因表達的變化，特別是關注了與YAP/TAZ訊號通路相關的基因。研究者們發現，在HiAD飲食餵養的小鼠中，與chow或FFD飲食的小鼠相比，YAP/TAZ調控的基因表達顯著增加。為了進一步探究YAP在HCC生長中的作用，研究者們在HDI模型中聯合注射了dn-TEAD2(一種TEAD家族轉錄因子的負性調節劑)或對照質粒與hMET和突變β-連環蛋白。結果顯示，與對照質粒注射的小鼠相比，dn-TEAD2/HDI共注射顯著減少了GS/MYC雙陽性焦點的數量，並且這些焦點在dn-TEAD2處理的小鼠中對活性YAP呈陰性。此外，dn-TEAD2處理後，YAP的下游靶基因CTGF和CYR61的表達也有所下降。這些資料表明，高粘彈性ECM中HCC的生長是由YAP介導的，並且TNS1(Tensin-1)在AGEs和粘彈性依賴的方式下顯著誘導，這表明TNS1可能是介導ECM機械訊號傳導的關鍵分子。
圖4. YAP參與高粘彈性促進的HCC生長
圖5展示了在3D水凝膠中，透過改變粘彈性來研究HCC細胞(肝細胞癌)的行為。研究者們構建了具有可調粘彈性的IPN(互穿聚合物網路)水凝膠，其中包含了藻酸鹽和重組基底膜(rBM)矩陣，這些水凝膠具有相同的剛度(楊氏模量為2 kPa)，但粘彈性水平不同。在高粘彈性的水凝膠中，HCC細胞表現出增加的增殖、YAP啟用以及形成類似侵襲足(invadopodia)的結構，這些結構與癌症細胞的侵襲和遷移有關。透過使用特定的抗體阻斷整合素β1，研究者們發現這可以減少細胞增殖和YAP靶基因CTGF的表達，同時增加細胞的圓形度。此外，透過CRISPR-Cas9技術敲除TNS1(Tensin-1)或整合素β1，同樣觀察到了細胞增殖和YAP啟用的減少，以及侵襲足形成和細胞圓形度的變化。這些結果表明，整合素β1-TNS1-YAP軸是介導粘彈性特異性機械細胞途徑的關鍵，這些途徑促進了HCC細胞的侵襲性行為。
圖5. 整合素-β1-TNS1-YAP軸介導HCC細胞侵襲的粘彈性特異性機械細胞通路
【小結】
該研究指出，肝臟細胞外基質(ECM)中的高階糖基化終產物(AGEs)透過改變膠原結構和網路連通性，導致粘彈性的增加，這種增加的粘彈性在非肝硬化狀態下促進了肝細胞癌(HCC)的發展。研究透過動物模型和體外實驗揭示了AGEs如何透過影響ECM的力學特性，啟用YAP訊號通路，進而促進HCC細胞的增殖和侵襲。此外，研究還發現，透過抑制AGEs的產生或破壞AGE-膠原交聯，可以降低粘彈性並減緩HCC的生長。這些發現強調了在非肝硬化條件下，粘彈性作為預測HCC進展的潛在風險因素的重要性，併為開發新的基於粘彈性的成像方法以識別高風險人群提供了科學依據。同時，這些發現也為開發針對粘彈性改變的診斷和治療策略提供了新的視角。
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06991-9
來源：BioMed科技
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