肿瘤是让每个人闻之色变的疾病，因为恶性肿瘤不仅会破坏原发组织和器官，更可怕的是播散型肿瘤细胞（DTCs）能够继发移动并种植于远处组织，产生更广泛的破坏。
然而，DTCs在肺脏、肝脏、肠道、大脑等部位的转移常见，却很少见DTCs的骨骼肌（SkM）转移，莫非骨骼肌具有抗肿瘤转移能力？
近日，由美国西雅图Fred Hutchinson癌症研究中心Cyrus M. Ghajar教授领衔的研究团队，在 Nature Cell Biology 发表重磅研究成果[1]。他们发现 小鼠与人类的DTCs事实上能够播散至骨骼肌，却无法定居并增殖，其根本原因是骨骼肌对DTCs施加了持续的氧化应激，从而抑制其增殖能力。DTCs这一弱点机制的首次发现，将有助于在多种易受癌细胞侵袭的组织或器官中预防癌细胞的转移与增殖。
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肿瘤细胞为了转移成功，必须首先播散到远处组织并存活下来。过去的研究认为，肿瘤“种子”可以在动物的某些而非全部组织“土壤”中茁壮生长，即DTCs具有器官转移倾向性[2]。 若无法适应播散部位的组织微环境，DTCs将退出细胞周期并死亡[3]。
骨骼肌具有强大的肿瘤转移抑制能力。
一篇Meta分析发现， 在3827名患有不同原发性癌症的病人尸检样本中，只有16名患者（0.4%）出现了癌细胞骨骼肌转移[4]。然而，过去的研究主要聚焦于DTCs对常见转移器官（如肺脏）的适应机制[5, 6]，却忽略了DTCs很少转移到骨骼肌的原因。于是，研究人员开始了如下探索。
首先，Cyrus M. Ghajar教授团队从患有转移性乳腺癌（MBC）的病人身上获取了骨骼肌样本，发现其中有MBC细胞（图1）。同时，他们将MBC细胞原位接种至免疫细胞缺陷型小鼠乳腺脂肪垫中，构建自发性肿瘤转移模型。 在切除原始接种的肿瘤后，他们在肺脏、骨骼肌均检测到了MBC细胞信号（图2）。 这表明DTCs播散至骨骼肌并不是一个罕见现象，关键在于DTCs是否能生存下来。
图1. （a）乳腺肿瘤及（b，c）被乳腺癌细胞播散的骨骼肌的多重免疫组化图像
图2. 种植MBC细胞后小鼠的肺脏和骨骼肌（SkM）的代表性图片
为了排除过多的体内混杂因素影响，研究组在体外构建了模拟肺脏基质的肺脏成纤维细胞类器官型小生境（LFs）及模拟骨骼肌基质的肌管细胞类器官型小生境（SkMc），结果发现SkMc能够抑制多种MBC细胞系共培养后的生长，他们还进行了SkMc-LFs混合实验，发现MBC细胞的生长与SkMc的比例呈负相关（图3）。这提示 肌管抑制了乳腺癌细胞在肺脏及骨骼肌共培养系统中的生长。
图3. LFs-SkMc混合、单LFs或单SkMc共培养时，MBC细胞生长情况
接着，研究组取得了能够有效转移至骨骼肌的罕见4T1细胞系亚型，并将其注射至Balb/c小鼠心内，从而对肺脏和骨骼肌的转移病灶行代谢组学分析，发现 最为富集的KEGG通路为嘌呤代谢及谷胱甘肽（GSH）代谢（图4）。其中，GSH代谢与活性氧（ROS）密切相关[7]。维持细胞氧化还原的平衡需要ROS的产生与抗氧化系统还原能力的动态平衡，以防治氧化应激、增殖停滞甚至细胞死亡[8]。
图4. KEGG代谢物富集分析结果
下一步，研究组检测了SkMc中的肿瘤细胞总ROS水平和细胞外过氧化氢浓度（寿命最长的ROS），发现2个指标均显著高于其在LFs中的水平（图5）。该结果提示， ROS在SkMc中积累，破坏了DTCs的氧化还原平衡，这可能与其对DTCs的生长抑制相关。
图5. (a) LFs和SkMcs中癌细胞内的ROS强度; (b) LFs和SkMcs中细胞外过氧化氢的浓度
在动物体内，通过心脏内注射的癌细胞出现在骨骼肌时均表现为单个DTC，却没有表现为微转移（10-50个细胞）和大转移（超过50个细胞的集群）（图6）。有趣的是，骨骼肌中的单个DTC被高度氧化，且与肺部的单个DTC氧化程度相同。然而，在肺脏的转移灶进展为微转移和大转移的过程中，氧化状态逐步降低（图6）。
图6. DTCs在SkM和肺部的氧化状态
那么，维持氧化应激是否会抑制肺脏转移？反之，增强抗氧化能力是否能够促进DTCs在骨骼肌的定植？
研究组向LFs加入一定剂量的过氧化氢，发现实现DTCs转移抑制的所需过氧化氢浓度比SkMc中所测的过氧化氢浓度大两个数量级。他们接着利用DAAO（d-氨基酸氧化酶）在细胞中持续生成过氧化氢，结果发现带有DAAO的DTCs在LFs的生长被显著抑制（图7）。 这提示ROS是关键的抑制转移因素，可使肺部的肿瘤转移降低到和骨骼肌相似的水平。
图7. 带有DAAO的DTCs在LFs中生长的代表图像
随后，他们通过在DTCs的线粒体和细胞膜上分别异位表达过氧化氢酶（CAT），来增强细胞的抗氧化能力。结果发现，DTCs线粒体抗氧化能力的增强能够促进其在骨骼肌上的增殖，在肺脏中却无效应。他们也发现SkMc-DTCs的线粒体ROS负荷显著高于LFs-DTCs的线粒体ROS负荷。
最后，他们从线粒体表达CAT的基因改造小鼠（MCAT）身上提取并构建了2种成肌细胞型小生境，结果发现与对照组相比，DTCs在MCAT的生长显著增强（图8）。 这些结果证明了线粒体ROS在调控DTCs生长的直接作用。
图8. DTCs (EO771-Ctl)在对照组及MCAT上的生长情况
总而言之，DTCs可出现于骨骼肌内，却很少定植下来。
代谢组学分析发现，GSH所参与的氧化还原反应对转移性定植具有关键作用，而骨骼肌中的DTCs在体外培养和体内都处于持续的氧化应激状态。功能学实验表明，通过DTCs线粒体CAT表达可增强其抗氧化能力，从而绕过氧化应激的抑制瓶颈。同时，肺脏作为DTCs易转移定植器官，诱导过氧化氢的生成可阻止DTCs的进展。
这个重要机制的发现，将有助于多种癌症的远处转移抑制相关研究，如能将癌细胞局限于原发部位，将极大地降低治疗的难度和患者的后顾之忧。
参考文献：
1. Crist, S.B., et al., Unchecked oxidative stress in skeletal muscle prevents outgrowth of disseminated tumour cells. Nat Cell Biol, 2022.
2. Paget, S., The distribution of secondary growths in cancer of the breast. 1889. Cancer Metastasis Rev, 1989. 8(2): p. 98-101.
3. Coller, H.A., Cell biology. The essence of quiescence. Science, 2011. 334(6059): p. 1074-5.
4. Disibio, G. and S.W. French, Metastatic patterns of cancers: results from a large autopsy study. Arch Pathol Lab Med, 2008. 132(6): p. 931-9.
5. Gupta, G.P., et al., Mediators of vascular remodelling co-opted for sequential steps in lung metastasis. Nature, 2007. 446(7137): p. 765-70.
6. Peinado, H., et al., Melanoma exosomes educate bone marrow progenitor cells toward a pro-metastatic phenotype through MET. Nat Med, 2012. 18(6): p. 883-91.
7. Mailloux, R.J., S.L. McBride, and M.E. Harper, Unearthing the secrets of mitochondrial ROS and glutathione in bioenergetics. Trends Biochem Sci, 2013. 38(12): p. 592-602.
8. Powers, S.K., et al., Reactive oxygen species: impact on skeletal muscle. Compr Physiol, 2011. 1(2): p. 941-69.