高脂饮食诱导的细胞外基质重塑通过激活PIEZO1依赖性线粒体-内质网接触减弱前列腺癌化疗敏感性
作者：Yupeng Guan, Fei Cao, Yusheng Luo, Jun Li, Peng Wu, Junfu Zhang, Wenhan Qiu, Shaohong Lai, Hanqi Lei, Jun Pang
研究机构：中山大学附属第七医院泌尿外科、肾病与泌尿骨盆底疾病中心；中山大学附属第七医院科研中心；中山大学医学院
发表期刊：Cancer Letters
发表时间：2026年（第639卷，文章编号218204）
一、学术背景
前列腺癌（prostate cancer, PCa）是全球男性癌症相关死亡的主要原因之一。尽管局部肿瘤可通过根治性前列腺切除术或雄激素剥夺疗法（androgen deprivation therapy, ADT）进行管理，但多数患者最终会对第二代抗雄激素药物产生耐药，并进展为去势抵抗性前列腺癌（castration-resistant prostate cancer, CRPC）。对于晚期前列腺癌，以紫杉烷类药物（如多西他赛，docetaxel, DTX）为基础的化疗是一线治疗选择，但仅约半数患者能获得短暂获益。
高脂饮食（high-fat diet, HFD）和肥胖已被确立为前列腺癌治疗耐药的风险因素，但其潜在的分子机制尚未完全阐明。既往研究表明，肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）在化疗耐药中发挥着超越癌细胞自主机制的动态调控作用。细胞外基质（extracellular matrix, ECM）作为TME的生物力学支架，在肿瘤进展过程中发生组成和硬度的动态改变。然而，ECM硬度在调节治疗耐药中的具体作用仍不明确。PIEZO1是一种机械激活的阳离子通道，可将ECM硬度和流体剪切力转化为钙离子（Ca²⁺）依赖的细胞内信号，近年来被发现在肿瘤机械适应中维持干性、转移和治疗逃逸。线粒体-内质网接触（mitochondria-endoplasmic reticulum contacts, MERCs）对脂质转移、钙缓冲和凋亡调控至关重要，其完整性破坏可引发代谢重编程，使细胞转向糖酵解并丧失氧化磷酸化能力，这是侵袭性、治疗耐药肿瘤的标志。
本研究旨在揭示HFD驱动的脂质代谢紊乱如何通过TGF-β1介导的癌相关成纤维细胞（cancer-associated fibroblasts, CAFs）间接激活、ECM病理性硬化、PIEZO1机械感知及MERCs解体之间的级联关系，从而阐明“脂质代谢-ECM-PIEZO1”轴在化疗耐药中的调控机制，并探索以他汀类药物和GsMTx4联合靶向该轴以恢复化疗敏感性的治疗策略。
二、研究流程
本研究整合了临床数据分析、多组学测序、生物力学检测、体外细胞实验和体内动物模型等多个层面。
首先，研究者回顾性分析了中山大学附属第七医院2018至2024年间72例前列腺癌患者的临床资料，包括甘油三酯、总胆固醇、低密度脂蛋白、高密度脂蛋白和BMI指数，并收集了根治性前列腺切除术的新鲜肿瘤组织，经病理确诊为Gleason评分（Gleason score, GS）9分和7分各6例。
在细胞实验层面，使用DU145、PC3和DU145-DTX/R（多西他赛耐药）细胞系，通过棕榈酸和油酸（PA:OA = 2:1）构建体外高脂模型。体外生物凝胶系统构建了不同硬度（软：20 kPa；硬：100 kPa）的水凝胶以模拟不同ECM机械环境。原代CAFs通过胶原酶消化临床前列腺肿瘤组织后，以CD31⁻CD45⁻PDPN⁺表型进行流式分选获得。
在机制研究中，采用条件培养基（conditioned medium, CM）间接共培养模型区分脂质的直接与间接效应。通过Western blot、qPCR、ELISA检测TGF-β1分泌及CAF活化标志物（α-SMA、FAP）和ECM相关基因（COL1A1、TGF-β1、FN、LOX、MMP2）的表达变化。利用原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM）定量组织硬度，Masson三色染色和天狼星红染色评估胶原沉积。
对于PIEZO1功能的验证，采用shRNA敲低和Yoda1激动剂激活策略，结合GsMTx4药理学抑制，通过EdU增殖实验、克隆形成实验、Annexin V/PI凋亡检测、细胞周期分析和活/死染色评估细胞增殖和化疗敏感性。钙离子成像使用Fluo-4（胞质钙）和Rhod-2（线粒体钙）探针，结合流式细胞术定量钙水平变化。
MERCs的检测采用多种互补方法：透射电子显微镜（TEM）直接观察线粒体-内质网间距；Mitotracker和ER-tracker共定位分析；邻位连接技术（proximity ligation assay, PLA）检测IP3R-GRP75-VDAC复合物的空间邻近性；Western blot检测MAM驻留蛋白表达水平。线粒体功能通过JC-1探针检测线粒体膜电位、ATP检测试剂盒定量ATP水平、Seahorse代谢分析仪测定耗氧率（oxygen consumption rate, OCR）进行综合评估。活性氧（reactive oxygen species, ROS）水平使用CellROX Green和MitoSOX Red探针检测。
在体内实验中，建立了HFD与正常饮食（normal chow diet, NCD）对照的皮下移植瘤模型，并进行CAF共注射实验以验证CAF对肿瘤增殖和硬度的贡献。通过预先在软/硬水凝胶上培养细胞或将其包埋于不同浓度的Col1/Matrigel基质中，评估基质硬度对体内化疗耐药的影响。药物干预方案为：多西他赛5 mg/kg每3天一次、GsMTx4 10 mg/kg每日一次、辛伐他汀10 mg/kg每日一次，持续15天。肿瘤体积每2-3天测量一次，最终进行免疫组化（PCNA、Ki67、cleaved caspase-3）、TUNEL染色及天狼星红和Masson染色分析。
公共单细胞测序数据（GSE137829和GSE141445）经Harmony算法去除批次效应后，使用Seurat进行聚类和注释，通过SCEVAN算法区分肿瘤细胞与正常细胞。
三、主要研究结果
临床数据分析显示，合并高脂血症的前列腺癌患者中高风险Gleason评分比例显著偏高（GS8占25%，GS9占32.5%，GS10占10%），而非高脂血症患者中GS7占50%。总胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白胆固醇水平与Gleason评分呈正相关。体内实验证实，HFD显著加速皮下移植瘤生长，而辛伐他汀干预可部分逆转这一效应。单细胞分析显示，CRPC样本中肿瘤细胞的脂肪酸代谢通路显著上调，同时成纤维细胞在CRPC中明显扩增。
在ECM机械特性方面，AFM检测显示HFD小鼠和含CAF的肿瘤组织硬度显著增加。RNA测序显示GS9肿瘤中ECM相关基因签名富集，KEGG和GSEA分析证实ECM重塑通路在GS9病变中激活。α-SMA免疫组化、天狼星红偏振光和Masson染色均显示GS9肿瘤中胶原沉积和硬度显著高于GS7肿瘤。
机制上，直接以高脂培养基处理CAFs并未引起α-SMA或FAP的显著变化，表明游离脂肪酸不能直接激活CAFs。然而，高脂条件培养基（CM_high lipid）处理CAFs后，α-SMA和FAP蛋白水平显著升高，ECM相关转录本上调。去除残留脂质后的CM仍保留等效的CAF激活能力，说明肿瘤细胞分泌的因子而非游离脂质本身是主要介质。进一步分析显示，TGF-β1是脂质刺激肿瘤细胞分泌的主要亚型，且在CM_high lipid中达到CM_normal的2倍以上。重组TGF-β1可剂量依赖性地重现CM_high lipid的CAF激活效应，而SB431542或TGF-β1中和抗体可阻断CM_high lipid的作用。
PIEZO1在GS9肿瘤中的表达显著高于GS7肿瘤，高PIEZO1表达与较差的总生存期相关。硬ECM上培养的前列腺癌细胞PIEZO1水平显著升高，并表现出明显的DTX耐药。PIEZO1敲低降低了细胞增殖和DTX半数抑制浓度（IC50）并增加凋亡，而过表达或Yoda1激活则产生相反效果。GsMTx4处理可逆转硬ECM诱导的耐药。钙成像显示，软ECM或硬ECM加GsMTx4处理导致细胞钙超载，BAPTA-AM可阻止这一现象。
在MERCs层面，硬ECM上细胞呈现更强的线粒体-内质网共定位和更紧密的接触，GsMTx4处理则显著减少这些相互作用。TEM和三维超分辨重建证实GsMTx4处理后线粒体-内质网间距增大。PLA检测显示PIEZO1阻断后MERCs丢失。Western blot和qPCR显示MAM驻留蛋白水平降低，IP3R-GRP75-VDAC复合物破坏。过表达VDAC1和GRP75可在PIEZO1抑制条件下恢复Bcl-2/Bax比值、集落形成能力和DTX处理后的存活率。
功能代谢分析显示，软ECM或GsMTx4处理的硬ECM细胞表现出升高的胞内和线粒体ROS水平、降低的线粒体膜电位、减少的ATP产生和降低的OCR。线粒体形态变小、碎片化且数量减少，同时内质网应激标志物上调。
体内联合治疗实验中，DTX+辛伐他汀组的肿瘤生长动力学、体积和质量均显著低于对照和DTX单药组。免疫组化显示联合组PCNA表达降低、cleaved caspase-3表达升高。DTX+GsMTx4+辛伐他汀三联治疗产生最强的肿瘤抑制效果，Ki67和TUNEL染色显示最大程度的增殖抑制和凋亡诱导。组织学分析显示三联治疗最有效地恢复了ECM结构。
四、结论与意义
本研究首次阐明了“脂质代谢-ECM-PIEZO1”轴作为前列腺癌化疗耐药调控因子的机制。脂质过载的肿瘤细胞分泌TGF-β1，间接激活CAFs，驱动病理性ECM硬化和胶原沉积。这些生物力学改变被PIEZO1感知，转导促恶性信号，通过破坏钙稳态导致MERCs解体，进而引起线粒体功能障碍、内质网应激和氧化还原失衡，最终促进化疗耐药。
该研究的科学价值在于重新定义了TME为“机械代谢生态位”（mechanometabolic niche），将化疗耐药的概念从单纯的遗传学范式扩展到微环境工程、细胞器机械解码和代谢适应的综合框架。在应用价值方面，他汀类药物与GsMTx4的双重靶向策略具有临床转化潜力：他汀类药物可减弱脂质诱导的TGF-β1分泌和CAF激活，GsMTx4可抑制PIEZO1介导的钙内流并防止MERCs破坏。二者协同作用可中断脂质-CAF-ECM的正反馈环路，使肿瘤对多西他赛重新敏感。
五、研究亮点
本研究的创新点主要体现在：第一，揭示了脂质代谢通过间接激活CAFs而非直接作用来驱动ECM重塑的精细机制，通过条件培养基去脂实验严格证明了肿瘤分泌因子（特别是TGF-β1）的核心作用；第二，建立了ECM硬度-PIEZO1-MERCs-代谢重编程-化疗耐药这一全新信号通路，将生物力学感知与细胞器互作和能量代谢在化疗耐药背景下进行了机制性串联；第三，提出了“机械代谢生态位”的概念框架，并以此为基础开发了代谢干预与机械信号阻断相结合的双靶向治疗策略，经体内实验验证具有协同增效作用。
六、研究局限性
作者亦明确指出若干局限：缺乏CRPC患者化疗耐药手术标本的直接临床证据；他汀类药物仅调节脂质代谢的一个方面，未来应使用FASN抑制剂或CD36/LPL阻断剂以鉴定关键脂质种类；体内PIEZO1抑制受限于递送的非靶向性，可借助LOX响应性或ECM靶向纳米颗粒加以克服。此外，PIEZO1在SREBP依赖性脂质反馈中的作用及其对免疫代谢信号机械协调的贡献仍有待阐明。