代谢剖析揭示恶性横纹肌样瘤中核苷酸合成的代谢脆弱性

肿瘤代谢重新编程发现儿童恶性肿瘤关键脆弱性——基于类器官模型的综合研究

背景介绍

恶性横纹肌样瘤(Malignant Rhabdoid Tumor, MRT)是一种极具侵袭性的儿童癌症,多发于幼儿,遍布全身,其中脑内变体被称为非典型畸胎样/横纹肌样瘤(Atypical Teratoid/Rhabdoid Tumor, AT/RT)。尽管现行治疗包括高强度化疗、放疗及手术干预,但针对局部或转移性病例的预后依旧极差,表明急需新的治疗策略。此外,代谢重新编程被认为是癌症的标志性特征之一。通过针对肿瘤的代谢脆弱性进行治疗,或可为治疗这些难治性肿瘤提供线索。然而,儿童肾脏肿瘤中,尤其是MRT和AT/RT复杂的代谢特性与潜在的代谢脆弱性,目前仍未被充分研究。

基于此,本文作者希望通过类器官技术(Tumoroids)来解析儿童肾脏肿瘤,特别是MRT的代谢特性。类器官因其可在培养中成功保持患者源组织的遗传、表型及代谢特性,被认为是更贴近疾病研究的模型。通过综合运用基因表达分析和代谢组学(Metabolomics),研究团队发现核苷酸合成是MRT的一种特定代谢脆弱性,并进一步验证了新型及已批准药物在体内外对MRT模型的疗效。


研究来源

这项研究由Marjolein M.G. Kes、Francisco Morales-Rodriguez等人领导。主要研究单位包括荷兰乌得勒支的Princess Máxima Center for Pediatric Oncology,以及同地的Utrecht University等机构。论文以“Metabolic profiling of patient-derived organoids reveals nucleotide synthesis as a metabolic vulnerability in malignant rhabdoid tumors”为题,于2025年1月21日发表在《Cell Reports Medicine》期刊上。


研究流程

研究设计与实施流程

  1. 代谢基因表达特征分析

    • 利用患者来源的类器官及匹配肿瘤组织(共45份样本,包括Wilms瘤、肾细胞癌RCC和MRT等亚型)进行大规模mRNA测序。
    • 主要分析代谢相关基因表达,以鉴别与MRT特异性相关的代谢途径。
    • 采用主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)和基因本体(Gene Ontology, GO)富集分析。
  2. 代谢组学分析

    • 对MRT、Wilms瘤类器官及正常肾脏来源类器官进行液相色谱-质谱(Liquid Chromatography-Mass Spectrometry, LC-MS)代谢组学研究。
    • 重点分析嘌呤(Purine)和嘧啶(Pyrimidine)代谢产物的变化。
  3. 核苷酸代谢抑制剂敏感性测试

    • 使用药物Methotrexate (MTX)和Bay-2402234 (Bay)对不同肿瘤类器官模型进行药物筛查,涵盖MRT、AT/RT、横纹肌肉瘤(Rhabdomyosarcoma, RMS)及正常肾组织。
    • 通过Annexin V/DAPI流式细胞术验证药物诱导的细胞凋亡效应。
    • 设置药物耐受浓度(如IC50值)分析,进一步通过核苷和叶酸补充进行“救援实验”以验证药物作用机制。
  4. 同位素标记追踪实验

    • 应用13C标记葡萄糖做代谢通量分析,评估嘌呤和嘧啶代谢受到MTX与Bay影响后的代谢路径改变。
    • 检测核苷酸初级和高级代谢产物的总量及同位素分布情况。
  5. 活体模型验证(PDX模型)

    • 建立基于小鼠的MRT患者来源异种移植模型(Patient-Derived Xenograft, PDX)。
    • 通过叶酸耗竭饮食方式并结合MTX药物治疗,观察肿瘤生长动态与组织增殖标志物Ki67表达变化。

研究结果

  1. MRT的代谢特异性

    • PCA分析显示三大肾脏肿瘤样本在代谢基因表达上存在显著区别,其中MRT样本形成独立簇,与Wilms瘤和RCC分离。
    • 富集分析显示,嘌呤与嘧啶核苷酸生物合成基因在MRT中的显著上调。
  2. 核苷酸代谢特性

    • LC-MS代谢组学揭示,MRT类器官中嘧啶(UMP、CMP)与嘌呤(IMP、GMP、AMP)代谢物含量显著高于正常肾器官培养。
    • Wilms瘤则表现为三羧酸循环代谢的增强。
  3. 药物敏感性

    • MTX和Bay对MRT与AT/RT显示出卓越疗效,其IC50值通常处于纳摩尔范围,而正常肾类器官和Wilms类器官对该药相对不敏感。
    • 流式细胞术验证,MTX和Bay均可引起MRT细胞的显著凋亡(分别为2.7倍与2.5倍)。
  4. 同位素实验结果

    • MRT中嘌呤和嘧啶核苷酸的13C标记分布集中于高级同位素分数([m+6]以上),显示其具有较高的去新生合成能力。
    • MTX和Bay抑制了相应代谢路径,明显降低了核苷酸总量。
  5. 体内验证

    • 小鼠PDX模型中,MTX治疗显著延缓了MRT肿瘤体积的增长,同时Ki67标志物染色结果表明其增殖显著下降。
    • 但部分小鼠出现>20%体重下降,提示MTX长期频繁使用可能带来毒性问题。

研究结论与意义

本研究描述了MRT在核苷酸代谢上的独特依赖性,为这些难治性儿童肿瘤提供了全新治疗靶点。Methotrexate(MTX)作为临床已批准的药物,展现出巨大的治疗潜力,可纳入现有治疗方案以提升患者的生存率。此外,Bay-2402234由于其较好的代谢靶向性可能成为一种具备优越安全性的候选药物。


研究亮点与价值

  1. 代谢特异性发现
    首次通过类器官模型精准描绘儿童实体肿瘤的代谢图景,发现MRT对核苷酸合成的依赖性。

  2. 药物筛查与验证
    确定MTX和Bay通过靶向嘌呤与嘧啶代谢显示出良好的抗肿瘤活性,为精准医学提供了基础。

  3. 临床转化前景
    结合体内PDX验证和现有药物安全性数据,研究为治疗儿童致命性肿瘤提供了切实可行的机会,具有广泛应用价值。


研究的不足与展望

研究指出,当环境中核苷酸供应充分时,MRT的药物敏感性可能减弱,提示未来需在更贴近生理状态的条件下进一步优化模型。此外,结合治疗策略如联合用药和耐药机制分析仍需展开深入探讨。总体而言,本研究为深入理解与治疗儿童肿瘤代谢提供了重要启发。