腫瘤是讓每個人聞之色變的疾病，因為惡性腫瘤不僅會破壞原發組織和器官，更可怕的是播散型腫瘤細胞（DTCs）能夠繼發移動並種植於遠處組織，產生更廣泛的破壞。
然而，DTCs在肺臟、肝臟、腸道、大腦等部位的轉移常見，卻很少見DTCs的骨骼肌（SkM）轉移，莫非骨骼肌具有抗腫瘤轉移能力？
近日，由美國西雅圖Fred Hutchinson癌症研究中心Cyrus M. Ghajar教授領銜的研究團隊，在 Nature Cell Biology 發表重磅研究成果[1]。他們發現 小鼠與人類的DTCs事實上能夠播散至骨骼肌，卻無法定居並增殖，其根本原因是骨骼肌對DTCs施加了持續的氧化應激，從而抑制其增殖能力。DTCs這一弱點機制的首次發現，將有助於在多種易受癌細胞侵襲的組織或器官中預防癌細胞的轉移與增殖。
論文首頁截圖
腫瘤細胞為了轉移成功，必須首先播散到遠處組織並存活下來。過去的研究認為，腫瘤「種子」可以在動物的某些而非全部組織「土壤」中茁壯生長，即DTCs具有器官轉移傾向性[2]。 若無法適應播散部位的組織微環境，DTCs將退出細胞周期並死亡[3]。
骨骼肌具有強大的腫瘤轉移抑制能力。
一篇Meta分析發現， 在3827名患有不同原發性癌症的病人屍檢樣本中，只有16名患者（0.4%）出現了癌細胞骨骼肌轉移[4]。然而，過去的研究主要聚焦於DTCs對常見轉移器官（如肺臟）的適應機制[5, 6]，卻忽略了DTCs很少轉移到骨骼肌的原因。於是，研究人員開始了如下探索。
首先，Cyrus M. Ghajar教授團隊從患有轉移性乳腺癌（MBC）的病人身上獲取了骨骼肌樣本，發現其中有MBC細胞（圖1）。同時，他們將MBC細胞原位接種至免疫細胞缺陷型小鼠乳腺脂肪墊中，構建自發性腫瘤轉移模型。 在切除原始接種的腫瘤後，他們在肺臟、骨骼肌均檢測到了MBC細胞信號（圖2）。 這表明DTCs播散至骨骼肌並不是一個罕見現象，關鍵在於DTCs是否能生存下來。
圖1. （a）乳腺腫瘤及（b，c）被乳腺癌細胞播散的骨骼肌的多重免疫組化圖像
圖2. 種植MBC細胞後小鼠的肺臟和骨骼肌（SkM）的代表性圖片
為了排除過多的體內混雜因素影響，研究組在體外構建了模擬肺臟基質的肺臟成纖維細胞類器官型小生境（LFs）及模擬骨骼肌基質的肌管細胞類器官型小生境（SkMc），結果發現SkMc能夠抑制多種MBC細胞系共培養後的生長，他們還進行了SkMc-LFs混合實驗，發現MBC細胞的生長與SkMc的比例呈負相關（圖3）。這提示 肌管抑制了乳腺癌細胞在肺臟及骨骼肌共培養系統中的生長。
圖3. LFs-SkMc混合、單LFs或單SkMc共培養時，MBC細胞生長情況
接著，研究組取得了能夠有效轉移至骨骼肌的罕見4T1細胞系亞型，並將其注射至Balb/c小鼠心內，從而對肺臟和骨骼肌的轉移病灶行代謝組學分析，發現 最為富集的KEGG通路為嘌呤代謝及谷胱甘肽（GSH）代謝（圖4）。其中，GSH代謝與活性氧（ROS）密切相關[7]。維持細胞氧化還原的平衡需要ROS的產生與抗氧化系統還原能力的動態平衡，以防治氧化應激、增殖停滯甚至細胞死亡[8]。
圖4. KEGG代謝物富集分析結果
下一步，研究組檢測了SkMc中的腫瘤細胞總ROS水平和細胞外過氧化氫濃度（壽命最長的ROS），發現2個指標均顯著高於其在LFs中的水平（圖5）。該結果提示， ROS在SkMc中積累，破壞了DTCs的氧化還原平衡，這可能與其對DTCs的生長抑制相關。
圖5. (a) LFs和SkMcs中癌細胞內的ROS強度; (b) LFs和SkMcs中細胞外過氧化氫的濃度
在動物體內，通過心臟內注射的癌細胞出現在骨骼肌時均表現為單個DTC，卻沒有表現為微轉移（10-50個細胞）和大轉移（超過50個細胞的集群）（圖6）。有趣的是，骨骼肌中的單個DTC被高度氧化，且與肺部的單個DTC氧化程度相同。然而，在肺臟的轉移灶進展為微轉移和大轉移的過程中，氧化狀態逐步降低（圖6）。
圖6. DTCs在SkM和肺部的氧化狀態
那麼，維持氧化應激是否會抑制肺臟轉移？反之，增強抗氧化能力是否能夠促進DTCs在骨骼肌的定植？
研究組向LFs加入一定劑量的過氧化氫，發現實現DTCs轉移抑制的所需過氧化氫濃度比SkMc中所測的過氧化氫濃度大兩個數量級。他們接著利用DAAO（d-胺基酸氧化酶）在細胞中持續生成過氧化氫，結果發現帶有DAAO的DTCs在LFs的生長被顯著抑制（圖7）。 這提示ROS是關鍵的抑制轉移因素，可使肺部的腫瘤轉移降低到和骨骼肌相似的水平。
圖7. 帶有DAAO的DTCs在LFs中生長的代表圖像
隨後，他們通過在DTCs的線粒體和細胞膜上分別異位表達過氧化氫酶（CAT），來增強細胞的抗氧化能力。結果發現，DTCs線粒體抗氧化能力的增強能夠促進其在骨骼肌上的增殖，在肺臟中卻無效應。他們也發現SkMc-DTCs的線粒體ROS負荷顯著高於LFs-DTCs的線粒體ROS負荷。
最後，他們從線粒體表達CAT的基因改造小鼠（MCAT）身上提取並構建了2種成肌細胞型小生境，結果發現與對照組相比，DTCs在MCAT的生長顯著增強（圖8）。 這些結果證明了線粒體ROS在調控DTCs生長的直接作用。
圖8. DTCs (EO771-Ctl)在對照組及MCAT上的生長情況
總而言之，DTCs可出現於骨骼肌內，卻很少定植下來。
代謝組學分析發現，GSH所參與的氧化還原反應對轉移性定植具有關鍵作用，而骨骼肌中的DTCs在體外培養和體內都處於持續的氧化應激狀態。功能學實驗表明，通過DTCs線粒體CAT表達可增強其抗氧化能力，從而繞過氧化應激的抑制瓶頸。同時，肺臟作為DTCs易轉移定植器官，誘導過氧化氫的生成可阻止DTCs的進展。
這個重要機制的發現，將有助於多種癌症的遠處轉移抑制相關研究，如能將癌細胞局限於原發部位，將極大地降低治療的難度和患者的後顧之憂。
參考文獻：
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.