IVIS視角 | 醛縮酶B介導(dǎo)的果糖代謝誘導(dǎo)了結(jié)腸癌肝轉(zhuǎn)移過程中的代謝重組

 

癌癥導(dǎo)致的死亡中，大部分是由惡性腫瘤轉(zhuǎn)移而引起的，在臨床上仍然是一個挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞通常與原發(fā)癌細(xì)胞相似，但它們可能會受到所轉(zhuǎn)移器官附近環(huán)境的影響。本文揭示了結(jié)直腸癌(CRC)細(xì)胞在轉(zhuǎn)移至肝臟(一個關(guān)鍵的代謝器官)后經(jīng)歷代謝的重組過程。特別是肝轉(zhuǎn)移細(xì)胞通過GATA結(jié)合蛋白6抗體 (GATA6) 上調(diào)醛縮酶B (ALDOB)的表達(dá)，提高果糖代謝，為腫瘤細(xì)胞增殖過程中的主要中心碳代謝提供能量。靶向ALDOB或降低膳食果糖可顯著降低肝轉(zhuǎn)移性生長，但對原發(fā)腫瘤幾乎沒有影響。本文的研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)移細(xì)胞可以在新的微環(huán)境中利用代謝重組，尤其是在代謝活躍的器官，如肝臟中，對相關(guān)通路的操縱可能會影響轉(zhuǎn)移性生長的過程。

原發(fā)性腫瘤逐漸累積遺傳性改變，并受其腫瘤微環(huán)境的影響，直到獲得能轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)處器官的能力(Gupta和Massague, 2006;Valastyan和Weinberg, 2011)。這一過程的典型特征是，結(jié)直腸癌（CRC）經(jīng)過腺瘤到癌的順序發(fā)展，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)移(Barker et al.， 2009)，(約70%的患者) 優(yōu)先轉(zhuǎn)移到肝臟這個部位 (Rothbarth和van de Velde, 2005) 。在這個階段，該疾病變得很難治療，并對大多數(shù)形式的聯(lián)合治療產(chǎn)生耐藥性，使得結(jié)直腸癌（CRC）轉(zhuǎn)移成為癌癥相關(guān)死亡的主要原因。無法進(jìn)行手術(shù)的肝轉(zhuǎn)移患者對化療干預(yù)治療效果較差，中位生存期為6至9個月 (Alberts et al.， 2005) 。目前針對晚期結(jié)直腸癌的化療并不針對肝轉(zhuǎn)移。部分原因是由于觀察到CRC轉(zhuǎn)移與任何特定的基因突變并不一致 (Jones et al.， 2008) ，而且它們通常與原發(fā)腫瘤中的細(xì)胞相似。然而，新出現(xiàn)的證據(jù)表明，非遺傳改變，如表觀遺傳和代謝重組，可能促進(jìn)癌癥轉(zhuǎn)移。將這種機(jī)制作為研究的目標(biāo)可能為開發(fā)結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移的治療方法提供新的途徑。

在本研究中，來自臨床樣本和經(jīng)盲腸移植的體內(nèi)CRC轉(zhuǎn)移模型的數(shù)據(jù)表明，結(jié)直腸癌（CRC）肝轉(zhuǎn)移瘤的特定代謝通路發(fā)生了改變。特別是，肝轉(zhuǎn)移會上調(diào)ALDOB的水平，這是一種參與果糖代謝的酶。肝內(nèi)植入表明肝環(huán)境導(dǎo)致CRC細(xì)胞上調(diào)ALDOB。代謝組學(xué)和13C標(biāo)記的果糖追蹤研究表明，ALDOB促進(jìn)果糖代謝，促進(jìn)糖酵解、糖異生和戊糖磷酸途徑。降低ALDOB或限制飲食果糖會抑制CRC肝轉(zhuǎn)移瘤的生長，但不抑制原發(fā)腫瘤或肺轉(zhuǎn)移瘤的生長，這突出了腫瘤微環(huán)境的重要性。

1、在結(jié)直腸癌CRC肝轉(zhuǎn)移中BALDOB表達(dá)升高

為了證實ALDOB在肝轉(zhuǎn)移中的上調(diào)，作者將3株CRC細(xì)胞株：HCT116和2株肝轉(zhuǎn)移患者來源的異種移植(PDX)細(xì)胞株CRC119和CRC57植入NOD/SCID小鼠的盲腸末端。細(xì)胞攜帶雙標(biāo)記報告基因結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定表達(dá)熒光蛋白(mCherry或GFP) 和熒光素酶。在盲腸注射前，流式細(xì)胞分選(FACS)分析顯示，這些CRC細(xì)胞株中KHK、ALDOB和HK表達(dá)均為單峰。注射盲腸后，CRC細(xì)胞在2周內(nèi)首次形成原位腫瘤。隨后，它們在5周內(nèi)發(fā)生了CRC肝轉(zhuǎn)移。收集原發(fā)性盲腸和肝轉(zhuǎn)移腫瘤后，利用熒光流式細(xì)胞儀(FACS)分離CRC細(xì)胞。肝轉(zhuǎn)移瘤的ALDOB水平明顯高于原發(fā)性轉(zhuǎn)移瘤，而KHK和HK水平基本保持不變(圖3B-3D) 。20%至40%的小鼠也出現(xiàn)肺轉(zhuǎn)移，盡管與原發(fā)性盲腸腫瘤相比，肺轉(zhuǎn)移中ALDOB沒有上調(diào)。

 
Figure 3. 肝轉(zhuǎn)移使體內(nèi)ALDOB表達(dá)升高

為了研究肝臟微環(huán)境是否引起CRC細(xì)胞中ALDOB的表達(dá)上調(diào)，本文將HCT116、CRC119和CRC57細(xì)胞同時直接注入小鼠肝臟和盲腸。CRC腫瘤迅速在肝臟和盲腸中形成，注射10天后，分別采集腫瘤。腫瘤經(jīng)盲腸轉(zhuǎn)移至肝臟之前，在盲腸注射模型中需要3~5周(圖3E)。從采集的腫瘤細(xì)胞中，利用熒光流式細(xì)胞分選(FACS)分離出CRC細(xì)胞。Western blot檢測證實，從肝臟分離的CRC細(xì)胞中ALDOB水平高于盲腸分離的細(xì)胞，而KHK和HK水平保持相似(圖3F-3H)。另一方面，Transwell遷移實驗中遷移和非遷移的CRC細(xì)胞表達(dá)了相似的ALDOB水平，這表明ALDOB與遷移能力的增強(qiáng)無關(guān)。此外，在體外培養(yǎng)后，肝臟和盲腸分離的腫瘤細(xì)胞表達(dá)相似的ALDOB水平。綜上所述，這些數(shù)據(jù)表明肝臟微環(huán)境可導(dǎo)致CRC細(xì)胞上調(diào)ALDOB的表達(dá)。

2、ALDOB促進(jìn)CRC肝轉(zhuǎn)移瘤的生長

HCT116、CRC119和CRC57細(xì)胞中ALDOB 的表達(dá)下調(diào)（RNA干擾下調(diào)表達(dá)），不影響體外含葡萄糖或果糖培養(yǎng)基中培養(yǎng)的CRC細(xì)胞遷移 。盡管盲腸移植HCT116、CRC119或CRC57細(xì)胞與對照載體均可有效發(fā)展肝轉(zhuǎn)移(3個細(xì)胞系的5只小鼠中有5只發(fā)生了轉(zhuǎn)移) ，但在盲腸注射模型中，ALDOB下調(diào)表達(dá)可抑制CRC肝轉(zhuǎn)移。經(jīng)shRNA1干擾的ALDOB的HCT116、CRC119或CRC57細(xì)胞分別在5只小鼠中僅有2只、2只和2只出現(xiàn)可檢測到的肝轉(zhuǎn)移，而經(jīng)shRNA2敲除的小鼠分別為2、1和2只(圖5A-5E) 。此外，從ALDOB 下調(diào)表達(dá)細(xì)胞中的肝轉(zhuǎn)移比對照細(xì)胞中的肝轉(zhuǎn)移腫瘤少得多，且小得多。然后進(jìn)行肝內(nèi)注射，觀察ALDOB是否促進(jìn)肝內(nèi)CRC的生長。對照載體的HCT116、CRC119和CRC57細(xì)胞在肝臟中生長明顯大于ALDOB表達(dá)下調(diào)的細(xì)胞(圖5F-5H) 。

 
Figure 5. RNA干擾ALDOB表達(dá)可抑制CRC肝轉(zhuǎn)移

3、靶向果糖代謝抑制肝轉(zhuǎn)移

接下來考慮的是，果糖攝入量的水平是否會影響腫瘤的生長，尤其是在肝臟。注射CRC至盲腸后 (每組5只小鼠) ，高果糖飲食的小鼠顯示CRC肝轉(zhuǎn)移增加，而不含果糖飲食的小鼠相對于對照組顯示肝轉(zhuǎn)移減少(圖6A-6D) 。隨后將這兩種治療方法結(jié)合起來。對小鼠注射ALDOB基因敲除劑后，然后按規(guī)定對其喂食不含果糖的飲食。這正如預(yù)期的那樣，抑制了CRC的肝轉(zhuǎn)移(圖6A-6D) 。將CT26細(xì)胞注射到具有免疫功能的BALB/c小鼠的盲腸中，在果糖飲食對肝轉(zhuǎn)移瘤的影響方面也顯示出類似的結(jié)果。一直以來，高果糖飲食降低了老鼠的存活率，而低果糖飲食和低碳水化合物能延長老鼠的存活率。
用相同shRNA結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)染LV-HCT116細(xì)胞，下調(diào)ALDOB的表達(dá)。與盲腸注射模型一致，ALDOB下調(diào)表達(dá)和果糖限制飲食抑制了肝臟中CRC腫瘤。關(guān)于抑制肝臟LV-HCT116腫瘤，ALDOB下調(diào)和果糖限制似乎比5-氟尿嘧啶或奧沙利鉑更有效，這兩種藥物都是晚期和轉(zhuǎn)移性CRC的一線化療。與ALDOB敲除或果糖限制飲食不同，5-氟尿嘧啶或奧沙利鉑在腫瘤抑制或生存方面幾乎沒有益處。因此, 針對ALDOB和果糖代謝的調(diào)節(jié)可能會影響肝轉(zhuǎn)移瘤的生長，并對目前的化療作為一個補(bǔ)充策略。
 

Figure 6. 飲食果糖限制抑制CRC肝轉(zhuǎn)移

結(jié)論

結(jié)論：目前的結(jié)直腸癌（CRC）化療無法區(qū)分轉(zhuǎn)移部位。然而，CRC細(xì)胞從結(jié)腸遷移到肝臟后，可能需要適應(yīng)肝臟的代謝環(huán)境。本文證明轉(zhuǎn)移的CRC細(xì)胞有能力適應(yīng)其轉(zhuǎn)移器官的營養(yǎng)變化。轉(zhuǎn)移性CRC細(xì)胞上調(diào)肝臟中的ALDOB，從而促進(jìn)果糖代謝，促進(jìn)中心碳代謝。RNA干擾ALDOB或?qū)�果糖飲食限制會抑制CRC肝轉(zhuǎn)移。得益于活體成像技術(shù)的長期、連續(xù)的活體檢測的優(yōu)勢，靶向果糖代謝是治療CRC肝轉(zhuǎn)移的一個潛在令人興奮的策略。也希望Perkinelmer的活體成像技術(shù)為更多疾病模型的開發(fā)，代謝通路的研究等帶來更多的幫助。

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