2022年04月09日 10:46
【科學快訊】
你可能想不到，腫瘤這個「窮凶極惡」的家夥細胞內還有細菌。而且，這種獨特的胞內菌控制著腫瘤細胞的行為，對癌症轉移起著重要作用。
4月7日，西湖大學生命科學學院教授蔡尚課題組在《細胞》發表論文，首次證明乳腺癌組織中存在的胞內菌，在生理狀況下對腫瘤轉移定植至關重要。該研究鑒定了腫瘤微環境中長期被忽視的新成分，揭示了影響腫瘤轉移的遺傳、表觀之外的新因素，並開拓了腫瘤研究新方向，為臨床控制腫瘤轉移提供了全新視角。
腫瘤細胞攜帶細菌到達遠端器官 受訪者供圖
意外發現腫瘤胞內菌
「發現胞內菌的確是個巧合。」蔡尚告訴《中國科學報》，「我們開始並未‘突發奇想’地認定腫瘤內部存在細菌。」
和多數研究者一樣，蔡尚認為腫瘤內部和人體組織相似，是無菌環境。
五六年前，蔡尚在美國斯坦福大學做博士後研究期間，探討某一腫瘤基因對腫瘤發展的作用時，曾做過一個小鼠模型——使用抗生素誘導，敲除某個基因，並借此弄清該基因在腫瘤發展中的作用。
「那時我們發現，用抗生素誘導敲除這個基因，的確抑制了腫瘤的轉移。」蔡尚補充說，「但奇怪的是，如果用了抗生素，在沒有誘導基因敲除的對照組，也能發現腫瘤轉移受到影響。」
也就是說，抗生素和腫瘤轉移之間似乎有某種關聯。這一現象讓蔡尚感到困惑，但當時並未對該問題深入追問。此後，他查閱相關文獻，發現早期文獻確實報道過抗生素有殺死腫瘤細胞的作用。
「但在實驗中，我們只看到肺轉移受到抗生素影響，原發灶的腫瘤生長其實並未受影響。」蔡尚說，「我當時突然想，腫瘤內部會不會也存在細菌？但受認知局限、技術水平等多種因素影響，我當時並沒有得出紮實的結論。」
2017年蔡尚來到西湖大學，開始對「腫瘤裏是否可能存在細菌，如果存在它到底有沒有作用」等問題展開研究。經過不懈努力，蔡尚團隊用實驗證實了腫瘤胞內菌的存在。
加深對腫瘤本質的認知
證明了腫瘤胞內菌的存在，接下來更重要的工作是探索腫瘤菌群的功能。
蔡尚團隊創新性地采取多種抗生素和多種方式的策略，來特異性地清除腫瘤菌群，從而進行腫瘤菌群功能研究。結果發現，利用尾靜脈注射ATBx複合抗生素和Doxycycline飲水只清除腫瘤菌群後，不影響腫瘤重量，而肺轉移卻顯著下降。
「利用無菌小鼠模型同樣驗證了這一點，這說明腫瘤菌群具有促進腫瘤轉移的生物學功能。」蔡尚說。
因為鑒定出來的多數是胞內菌，同時考慮到轉移是個多步驟的過程，包括從原位遷移進入血管、循環腫瘤細胞通過血液到達遠端器官及遠端定植生長，研究人員假定腫瘤組織中的胞內菌會和腫瘤細胞一起遷移到遠端器官並影響轉移，通過染色、透射電鏡觀察並對細菌進行16S建庫測序研究。
「生物信息數據分析結果提示，早期肺轉移的細菌可能仍帶有原位腫瘤的菌群特征，而隨著腫瘤的進一步發展，開始受肺部微環境的影響。」論文共同第一作者、西湖大學生命科學學院博士後付愛坤對《中國科學報》說。
通過實驗，研究人員看到循環腫瘤細胞能攜帶腫瘤菌群到達遠端器官，而回輸這些腫瘤菌群，不影響腫瘤原位生長，但顯著促進腫瘤轉移，甚至讓弱轉移的腫瘤類型也能夠大量轉移。
「結合抗生素清除實驗，我們證明了腫瘤菌群在生理狀態下促進轉移的功能。」付愛坤說。
腫瘤治療的潛在方向
腫瘤細胞在轉移過程中，尤其是在循環系統中，會經曆「液流剪切」的壓力，這容易引起細胞死亡。「腫瘤細胞轉移必須進入血液系統，但血流系統存在一種‘液流壓力’（機體內奇妙的防轉移機制），會導致超過99%的腫瘤細胞死亡。」蔡尚說。
為進一步探討腫瘤菌群對於促進腫瘤細胞轉移的機制，該團隊利用單細胞測序分析，找到細菌入侵腫瘤細胞之後，特異性地上調液流剪切壓力通路。體外構建液流壓力系統及體內尾靜脈回輸實驗證明，經曆壓力之後，入侵細菌的細胞比對照組的細胞具有更高的存活能力。
實驗表明，如果細菌侵入腫瘤細胞，它可以給腫瘤細胞提供很強的保護作用。腫瘤細胞面臨液流壓力時，生存能力會提高5至10倍，其遠端存活概率大大提高。
「細菌入侵重塑了腫瘤細胞的細胞骨架，以此來抵抗液流壓力。」蔡尚解釋說，「這些細菌其實對腫瘤是有幫助的，能幫助腫瘤擴散轉移。」
研究團隊還收集了配對乳腺癌病人的腫瘤組織、癌旁組織和淋巴結組織，並測序分析菌群的組成，結果顯示，小鼠乳腺癌組織和人乳腺癌組織具有相似的微生物譜和動態變化。也就是說，「人類乳腺癌菌群可能在癌症發生和進展中起著相似的作用」。
蔡尚認為，除了眾所周知的遺傳、表觀遺傳和基質微環境因素外，宿主微生物群作為一種不可忽視的機體組成部分，在調節癌症易感性和腫瘤進展方面是一種至關重要的介質。「它們的存在為癌症生物學研究增加了另一層複雜性。」
論文審稿人評價說，「這項研究非常及時，也非常關鍵，回答了領域裏的重要問題。」使用抗生素特異性地清除腫瘤菌群，顯著降低腫瘤轉移但不影響腫瘤生長。研究在機制上證明胞內菌可以調節宿主細胞的骨架，抵抗宿主細胞在循環系統中的液流壓力，從而促進癌細胞的存活，為深入理解腫瘤轉移提供了新見解，也為臨床上治療乳腺癌開辟了全新的思路。
「這是個新興領域，我們發現的可能只是冰山一角。」蔡尚說，「這項研究加深了對腫瘤本質的認知，同時會吸引更多研究者關注這一方向。如果人們能調控這些菌群的話，會為腫瘤治療提供一個潛在的方法。」
相關論文信息：
https：//doi.org/10.1016/j.cell.2022.02.027
