肿瘤内氧化热点为癌细胞扩散提供了生态位

细胞生物学 肿瘤学 生命科学 医学 免疫学
肿瘤异质性 氧化应激 癌细胞扩散 微环境 p38-Myc轴

肿瘤异质性（tumor heterogeneity）是癌症研究中的一个重要问题，它包括了遗传异质性、表型异质性和微环境异质性。尽管单细胞测序技术已经揭示了遗传和表型异质性，但非遗传因素（如微环境异质性）的研究仍然不够深入。氧化应激（oxidative stress）是癌症的标志之一，肿瘤细胞在脱离其天然微环境后会面临多种压力，包括代谢异常、细胞外基质（ECM）脱离、缺氧和免疫细胞攻击等，这些都会导致活性氧（ROS）的积累。然而，肿瘤内ROS的异质性及其对肿瘤行为的影响尚不清楚，主要原因是缺乏在单细胞水平上检测肿瘤内ROS的技术。

为了解决这一问题，研究者开发了一种名为T-AP1的肿瘤靶向探针，用于追踪细胞外过氧化氢（H2O2），从而可视化并表征暴露于氧化应激的肿瘤细胞。这项研究旨在揭示肿瘤内氧化热点的形成机制，并探讨其在癌细胞扩散中的作用。

论文来源

这篇论文由Yoshifumi Ueda、Shigeki Kiyonaka、Laura M. Selfors等多位研究者共同完成，研究团队来自多个知名机构，包括日本名古屋大学、京都大学等。论文于2025年3月发表在Nature Cell Biology期刊上，题为“Intratumour oxidative hotspots provide a niche for cancer cell dissemination”。

研究流程

1. T-AP1探针的开发与验证

研究者开发了一种名为T-AP1的肿瘤靶向探针，该探针结合了HER2抗体、Alexa Fluor 647（AF647）（一种不受H2O2影响的荧光染料）和Peroxy Green 1（PG1）（一种对H2O2敏感的化学探针）。T-AP1的设计使其能够与HER2阳性肿瘤细胞结合，并在细胞外H2O2暴露时增加PG1与AF647的荧光强度比（PG1/AF647 ratio），从而实现对肿瘤微环境中H2O2的检测。

在细胞外实验中，T-AP1表现出对H2O2的高选择性，且其荧光信号在pH 6.4-7.9范围内保持稳定。随后，研究者在多种HER2阳性的癌细胞系中进行了活细胞成像实验，验证了T-AP1的特异性和灵敏度。

2. 肿瘤内氧化热点的发现

通过T-AP1探针，研究者在HER2阳性肿瘤的异种移植模型中发现，肿瘤内存在H2O2丰富的微环境，称为H2O2热点。这些热点主要位于肿瘤的活跃出芽区域（actively budding regions），即单细胞或小细胞簇从肿瘤主体中脱离的区域。通过三维成像和定量分析，研究者证实了这些热点与肿瘤出芽的密切关系。

此外，研究者在多种HER2阳性和HER2阴性的肿瘤模型中验证了H2O2热点的存在，表明这种现象在多种肿瘤类型中普遍存在。

3. H2O2热点与肿瘤细胞表型转变

为了研究H2O2热点对肿瘤细胞行为的影响，研究者通过细胞分选技术分离了暴露于高H2O2和低H2O2的肿瘤细胞，并进行了RNA测序分析。结果显示，暴露于高H2O2的肿瘤细胞表现出MYC信号通路和上皮-间质转化（EMT）相关基因的上调，表明这些细胞发生了部分EMT。

进一步的实验表明，H2O2通过激活p38-MYC轴，诱导了肿瘤细胞的间质化表型，并促进了细胞的迁移和侵袭。此外，研究者还发现，肿瘤细胞会从H2O2丰富的环境中迁移出来，表明这是一种逃逸机制。

4. 中性粒细胞在H2O2热点形成中的作用

研究者发现，肿瘤内的H2O2热点主要由中性粒细胞（neutrophils）建立。通过免疫组化分析和中性粒细胞耗竭实验，研究者证实了中性粒细胞在H2O2热点形成中的关键作用。此外，研究者还开发了一种针对中性粒细胞的H2O2探针L-AP1，进一步验证了中性粒细胞在肿瘤微环境中产生H2O2的能力。

5. NRF2超活化对肿瘤出芽的影响

研究者在肺癌、胃癌和乳腺癌等多种癌细胞系中发现，NRF2（一种抗氧化转录因子）的超活化会抑制肿瘤出芽。通过CRISPR-Cas9技术敲除KEAP1（NRF2的负调控因子），研究者发现NRF2超活化的肿瘤细胞尽管暴露于H2O2，但其出芽能力显著降低。这表明NRF2超活化通过增强抗氧化程序和抑制肿瘤出芽信号通路，使肿瘤细胞能够在氧化应激环境中存活。

研究结果

  1. T-AP1探针成功实现了对肿瘤微环境中H2O2的高分辨率成像，揭示了肿瘤内H2O2热点的存在。
  2. H2O2热点主要位于肿瘤的活跃出芽区域，表明H2O2在肿瘤细胞扩散中起到了关键作用。
  3. 暴露于H2O2的肿瘤细胞通过p38-MYC轴激活，发生了部分EMT，并表现出增强的迁移和侵袭能力。
  4. 中性粒细胞是肿瘤内H2O2热点的主要来源，其耗竭显著降低了肿瘤出芽和H2O2热点的形成。
  5. NRF2超活化通过增强抗氧化程序和抑制肿瘤出芽信号通路，使肿瘤细胞能够在氧化应激环境中存活。

结论与意义

这项研究首次揭示了肿瘤内H2O2热点的形成机制及其在癌细胞扩散中的关键作用。通过开发T-AP1探针，研究者实现了对肿瘤微环境中H2O2的高分辨率成像，为研究肿瘤异质性提供了新的工具。研究结果表明，H2O2通过诱导肿瘤细胞的部分EMT和迁移，促进了肿瘤的扩散。此外，中性粒细胞在H2O2热点形成中的关键作用为肿瘤微环境的研究提供了新的视角。

这项研究的科学价值在于揭示了肿瘤细胞如何通过物理逃逸机制应对氧化应激，为理解肿瘤转移的早期步骤提供了新的见解。此外，NRF2超活化对肿瘤出芽的抑制作用为开发针对肿瘤转移的治疗策略提供了潜在靶点。

研究亮点

  1. T-AP1探针的开发为肿瘤微环境中H2O2的检测提供了高分辨率成像工具。
  2. 首次揭示了H2O2热点在肿瘤细胞扩散中的关键作用。
  3. 发现了中性粒细胞在H2O2热点形成中的核心作用。
  4. 揭示了NRF2超活化通过增强抗氧化程序和抑制肿瘤出芽信号通路，使肿瘤细胞能够在氧化应激环境中存活的机制。

这项研究不仅为肿瘤异质性和转移机制的研究提供了新的视角，还为开发针对肿瘤微环境的治疗策略提供了潜在靶点。