肿瘤可诱发宿主体内多组织器官的系统性病变。原位肿瘤不仅通过转移，还通过释放可溶性因子（如蛋白质、代谢产物和激素）、细胞外囊泡与颗粒（Extracellular Vesicles and Particles,EVPs）等进入循环系统来破坏机体稳态（王刚等，2021，Nature Cell Biology）。例如，肿瘤极少转移到骨骼肌，但肿瘤相关因子可通过上调锌离子转运蛋白ZIP14在肌肉组织内的表达而转运过量的锌离子到肌肉组织，从而抑制肌肉干细胞（muscle progenitor cells）的分化并促进肌丝蛋白重链（myosin heavy chain）的降解，以诱发肌肉萎缩（muscle atrophy）和恶病质（cachexia）的形成 （王刚等，2018，Nature Medicine）。
EVPs是异质的，包括被广泛研究的外泌体（exosomes）以及David Lyden 教授新发现的外泌粒（exomeres）等【1,2】。EVPs作为细胞间的重要通讯介质，在局部和远距离上通过传递包装在EVP内的生物活性物质，包括核酸、蛋白质、代谢产物和脂质等，来介导细胞间通信【1,3】。
康奈尔大学威尔医学院David Lyden 教授实验室的研究发现，肿瘤来源的EVPs可促进肿瘤转移前微环境（premetastatic niche, PMN）的重塑，并鉴定出可用于早期癌症诊断的多个EVP蛋白质标志物【4-8】。
2023年5月24日，David Lyden教授实验室在Nature发表题为Tumour extracellular vesicles and particles dysregulate liver metabolism的研究论文，揭示肿瘤细胞在没有肝转移发生时，其分泌的EVPs也可诱导肝脏的代谢功能失调。
首先，作者选择不具有肝脏转移特性的黑色素瘤（B16F10）和骨肉瘤（K7M2）作为研究模型。原位植瘤3到4周后，作者对荷瘤小鼠的肝脏进行转录组学，代谢组学以及脂质组学分析，发现肝脏内炎症相关信号通路上调，脂质代谢相关信号通路下调，且肝脏内甘油三酯，胆固醇以及神经酰胺的含量显著上调，表现出脂肪肝特性。作者通过BODIPY染色证实，荷瘤小鼠的肝脏内出现大量脂滴堆积。为验证该发现的临床相关性，作者收集了只发生肝外转移的胰腺癌病人的肝脏活检组织，发现这些肝脏内同样出现了炎症相关信号通路的激活，脂质代谢信号通路的抑制以及脂肪肝。
图1. BODIPY染色显示黑色素瘤小鼠（a，右）与癌症病人（b，右）的肝脏内脂肪堆积。
因为没有肝转移发生，作者推测肿瘤分泌的因子，如EVPs等，可诱导荷瘤小鼠及癌症病人的脂肪肝形成。作者分离出肿瘤细胞分泌的EVPs并进行荧光标记后通过尾静脉注射到小鼠体内，发现肿瘤细胞EVPs可被肝脏摄取。然后，为模拟肿瘤在体内分泌EVPs的情况，作者将肿瘤细胞EVPs通过尾静脉注射入小鼠体内（每两天一次，共计4周，该过程被称为EVP教育（EVP education））。与荷瘤小鼠类似，肿瘤EVP教育也可诱导肝脏内炎症相关信号通路的激活，脂质代谢信号通路的抑制，以及肝脏内的脂肪堆积。当敲除肿瘤细胞内负责EVPs分泌的Rab27a的表达后，肿瘤诱导脂肪肝形成的能力受到抑制，证明EVPs介导了肿瘤诱导的肝脏代谢功能失调。
作者进一步研究发现，肿瘤细胞EVPs主要被肝脏内的库佛细胞（Kupffer cells）摄取。通过代谢组学以及脂肪酸质谱分析发现，肿瘤细胞EVPs内荷载大量的饱和脂肪酸，如棕榈酸（palmitic acid）。EVPs荷载的棕榈酸可通过TLR4激活库佛细胞分泌多种细胞因子和趋化因子，其中肿瘤坏死因子 (tumor necrosis factor, TNF) 的含量较高。作者分离出原代肝细胞，并用重组蛋白TNF处理后发现，TNF可通过抑制肝细胞内脂类分解代谢的信号通路而诱导肝细胞内脂肪堆积。随后，作者通过腹腔注射TNF的单克隆抗体，发现荷瘤小鼠以及EVPs教育后的小鼠的肝脏脂肪堆积的症状减轻，证明库佛细胞摄取肿瘤细胞EVPs后而分泌的TNF在诱导肝脏脂肪堆积的过程中起着关键作用。
已有的研究发现，脂肪肝会抑制药物代谢酶Cytochrome P450 （CYP）的基因表达【9,10】。临床上，癌症病人通常不能忍受高剂量化疗带来的毒副作用。作者推测，这一现象可能是因为癌症病人的肝脏内药物代谢能力受损所导致。为验证此猜想，作者通过定量PCR以及转录组学分析发现，多个CYP基因以及药物代谢信号通路（Drug metabolism Cytochrome P450 signaling pathway）在TNF处理的肝细胞，荷瘤小鼠以及EVPs教育小鼠的肝脏内均显著受到抑制。另外，作者通过质谱分析发现，药物代谢的能力在荷瘤小鼠肝脏的活体切片（precision-cut liver slices）以及经肿瘤细胞EVPs处理的肝脏活体切片内均显著下调。有意思的是，作者通过肿瘤细胞EVPs教育小鼠形成脂肪肝后，再对小鼠使用化疗药物（dacarbazine或者doxorubicin），发现化疗药物的毒性（如骨髓抑制和心脏毒性）显著增强，揭示肿瘤细胞EVPs可通过下调CYP基因的表达而抑制肝脏的药物代谢能力。
图2. 肿瘤细胞EVPs诱导肝脏代谢功能失调的模式图。PA, palmitic acid. LD, lipid droplet.
该研究首次发现远端肿瘤细胞可通过其分泌的EVPs诱导肝脏代谢功能的失调，并进一步证实癌症是涉及多组织器官的系统性病变。
康奈尔大学威尔医学院David Lyden教授实验室的王刚博士是该研究论文的第一作者，李建龙博士是共同第一作者。David Lyden教授， Haiying Zhang 助理教授，Robert Schwartz副教授是共同通讯作者。
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06114-4
制版人：十一
参考文献
1 Mathieu, M., Martin-Jaular, L., Lavieu, G. & Thery, C. Specificities of secretion and uptake of exosomes and other extracellular vesicles for cell-to-cell communication.Nat Cell Biol21, 9-17 (2019). https://doi.org:10.1038/s41556-018-0250-9
2 Zhang, H. et al. Identification of distinct nanoparticles and subsets of extracellular vesicles by asymmetric flow field-flow fractionation.Nat Cell Biol20, 332-343 (2018). https://doi.org:10.1038/s41556-018-0040-4
3 Lucotti, S., Kenific, C. M., Zhang, H. & Lyden, D. Extracellular vesicles and particles impact the systemic landscape of cancer.EMBO J41, e109288 (2022). https://doi.org:10.15252/embj.2021109288
4 Costa-Silva, B. et al. Pancreatic cancer exosomes initiate pre-metastatic niche formation in the liver. Nat Cell Biol 17, 816-826 (2015). https://doi.org:10.1038/ncb3169
5 Hoshino, A. et al. Tumour exosome integrins determine organotropic metastasis.Nature527, 329-335 (2015). https://doi.org:10.1038/nature15756
6 Peinado, H. et al. Melanoma exosomes educate bone marrow progenitor cells toward a pro-metastatic phenotype through MET.Nat Med18, 883-891 (2012). https://doi.org:10.1038/nm.2753
7 Hoshino, A. et al. Extracellular Vesicle and Particle Biomarkers Define Multiple Human Cancers.Cell182, 1044-1061 e1018 (2020). https://doi.org:10.1016/j.cell.2020.07.009
8 Rodrigues, G. et al. Tumour exosomal CEMIP protein promotes cancer cell colonization in brain metastasis.Nat Cell Biol21, 1403-1412 (2019). https://doi.org:10.1038/s41556-019-0404-4
9 Jamwal, R. & Barlock, B. J. Nonalcoholic Fatty Liver Disease (NAFLD) and Hepatic Cytochrome P450 (CYP) Enzymes.Pharmaceuticals(Basel) 13 (2020). https://doi.org:10.3390/ph13090222
10 Woolsey, S. J., Mansell, S. E., Kim, R. B., Tirona, R. G. & Beaton, M. D. CYP3A Activity and Expression in Nonalcoholic Fatty Liver Disease.Drug Metab Dispos43, 1484-1490 (2015). https://doi.org:10.1124/dmd.115.065979
热门跟贴