Roles for increased intracellular pH and heterogeneity in ca

摘要 癌症生物学中最大的挑战之一是如何克服肿瘤异质性的问题， 动态微环境，以选择有效的治疗方法，减少治疗阻力，并产生 更好的患者结果。虽然基因测序作为实体瘤的标准治疗已经扩大了 治疗工具箱，肿瘤异质性，转移和药物治疗的分子机制 人们对抵抗的了解仍然很少。例如，PI3激酶抑制剂等靶向治疗的失败 强调需要更好地了解遗传和表型异质性如何与 微环境压力使癌细胞存活、转移和进化。虽然没那么好 从异质性的角度研究，细胞内pH值（pHi）升高是大多数癌症的特征， 宿主的癌症表型，包括增加的细胞增殖、转移、逃避凋亡， 迁移和耐药性。虽然癌症的组成性较高的pHi已被证明能够使这些 在各种模型中，对单细胞时空pHi 动力学或pH异质性可能影响或驱动单细胞癌表型。在这里，我将使用一个 创新的光遗传学工具，用于时空操纵活细胞中的pHi并阐明pHi的作用 启动或支持单细胞癌症行为的动力学。我假设升高的pH值是 癌细胞功能指示物，并与促进单个肿瘤细胞侵袭和耐药性直接相关。 此外，我预测pHi异质性与其他更隐蔽的异质性标记相关 包括代谢变化、干细胞标记物以及上皮和间充质标记物。在这项工作中，我 我建议通过两个方面对pHi在支持癌细胞行为中的作用进行严格的研究。 互补的方法。首先，我将使用光遗传学工具来增加单细胞中的pHi，以确定 pHi增加是否足以驱动2D和3D癌症中的单细胞侵袭和耐药性 模型其次，我将获得3D癌症模型的pHi异质性图，以确定是否监测pHi 增加可以预测可能迁移、侵入或获得耐药性的个体细胞。的 动态测量活细胞中pHi的能力使pHi成为侵袭性肿瘤的有吸引力的生物标志物 亚群这些研究的完成将改变我们对pH动力学如何支持和 促进癌症进展，同时揭示监测pHi作为诊断或预后工具的新途径， 以确定适当的治疗干预措施。

Abstract  One of the greatest challenges in cancer biology is how to overcome issues of tumor heterogeneity and a  dynamic microenvironment to select effective therapeutic treatments, reduce therapy resistance, and produce  better patient outcomes. While genetic sequencing as standard of care for solid tumors has expanded the  therapeutic toolbox, the molecular mechanisms underlying tumor heterogeneity, metastasis, and drug  resistance remain poorly understood. For example, failures of targeted therapies like PI3 kinase inhibitors  highlight the need for better understanding of how genetic and phenotypic heterogeneity work in concert with  microenvironment pressures to enable cancer cell survival, metastasis, and evolution. Although less well  studied in terms of heterogeneity, increased intracellular pH (pHi) is a feature of most cancers and enables a  host of cancer phenotypes, including increased cell proliferation, metastasis, evasion from apoptosis,  migration, and drug resistance. While the constitutively higher pHi of cancer has been shown to enable these  behaviors on a population level in various models, little is known about how single-­cell spatiotemporal pHi  dynamics or pH heterogeneity might influence or drive single-­cell cancer phenotypes. Here, I will use an  innovative optogenetic tool to spatiotemporally manipulate pHi in living cells and elucidate the role of pHi  dynamics in initiating or supporting single-­cell cancer behaviors. I hypothesize that increased pHi is a critical  indicator of cancer cell function and directly relevant to promoting single-­cell invasion and drug resistance.  Furthermore, I predict that pHi heterogeneity correlates with other more cryptic markers of heterogeneity  including metabolic changes, stem cell markers, and epithelial and mesenchymal markers. In this work, I  propose the rigorous investigation of the roles of pHi in supporting cancer cell behaviors through two  complementary approaches. First, I will use an optogenetic tool to increase pHi in single cells to determine  whether increased pHi is sufficient to drive single-­cell invasion and drug resistance in 2D and 3D cancer  models. Second, I will obtain pHi heterogeneity maps of 3D cancer models to determine if monitoring pHi  increases can be predictive of individual cells that are likely to migrate, invade, or acquire drug resistance. The  ability to dynamically measure pHi in living cells makes pHi an attractive biomarker for aggressive tumor  subpopulations. Completion of these studies will transform our understanding of how pH dynamics support and  promote cancer progression while revealing new routes for monitoring pHi as a diagnostic or prognostic tool or  for identifying appropriate therapeutic interventions.