90%以上的癌癥死亡是由于腫瘤細(xì)胞惡性增殖導(dǎo)致器官功能障礙而導(dǎo)致的。然而，與通常通過局部手術(shù)或放射療法治療的原發(fā)腫瘤不同，腫瘤轉(zhuǎn)移是一種全身性疾病。由于腫瘤細(xì)胞在長期早期處于潛伏的非增殖狀態(tài)，并通過腫瘤微環(huán)境的形成逃避免疫監(jiān)視，基于單分子或信號通路的治療由于同種蛋白、信號傳導(dǎo)的存在，容易產(chǎn)生耐藥性。旁路和腫瘤異質(zhì)性，導(dǎo)致藥理學(xué)和生化耐藥性，并降低化療、靶向治療和免疫治療等當(dāng)前治療方法的有效性。然而，隨著早期腫瘤微環(huán)境形成行為的持續(xù)進(jìn)行，隨著我們更深入地研究腫瘤細(xì)胞和腫瘤基質(zhì)細(xì)胞之間的時空耦合模式，誘導(dǎo)腫瘤基質(zhì)細(xì)胞本身的基本行為可能是一個未被注意到的新目標(biāo)。
在腫瘤轉(zhuǎn)移的眾多器官中，骨是許多惡性腫瘤最常見的優(yōu)先轉(zhuǎn)移部位，尤其是乳腺癌和前列腺癌。最近的研究報道，骨微環(huán)境中腫瘤細(xì)胞的重編程促進(jìn)了肺、肝和腦等其他器官的繼發(fā)性轉(zhuǎn)移。因此，預(yù)防關(guān)鍵骨轉(zhuǎn)移是預(yù)防全身腫瘤轉(zhuǎn)移的重要環(huán)節(jié)。由于骨基質(zhì)特殊的硬基界面，軟化骨基質(zhì)是初始轉(zhuǎn)移的先決條件。因此，唯一具有分泌酸和溶骨功能的細(xì)胞——破骨細(xì)胞被認(rèn)為是腫瘤骨轉(zhuǎn)移初始微環(huán)境的關(guān)鍵。盡管過去的研究已經(jīng)從外泌體或細(xì)胞因子的角度討論了腫瘤誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成的過程，但確切的過程和時空特征仍然沒有定論。
鑒于此，浙江大學(xué)林賢豐、范順武等研究人員發(fā)現(xiàn)腫瘤-破骨細(xì)胞時空耦合通過遷移體介導(dǎo)的細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移從腫瘤細(xì)胞到核因子κ-β配體（RANKL）激活的破骨細(xì)胞前體（RA-OCP）的受體激活劑。研究人員將這種腫瘤相關(guān)破骨細(xì)胞命名為“tumasteoclast”（TAOC），并根據(jù)其誘導(dǎo)模式（需要接觸）、誘導(dǎo)介質(zhì)（遷移體）和轉(zhuǎn)錄模式（替代轉(zhuǎn)錄因子途徑）對其進(jìn)行了定義。
基于腫瘤初始轉(zhuǎn)移時TAOC耦合的時空特征，研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了包裹碳酸氫鈉和磷酸氫鈉的骨靶向四環(huán)素修飾納米脂質(zhì)體（HC&HP@TNL）。在轉(zhuǎn)移初期，當(dāng)腫瘤-TAOC偶聯(lián)形成時，HC&HP@TNL將被TAOCs觸發(fā)釋放高濃度的磷酸氫鈉。磷酸氫鹽與微環(huán)境中的鈣離子結(jié)合，原位形成鈣磷（CaP）晶體，降低鈣濃度以抑制遷移體形成并破壞細(xì)胞膜完整性以誘導(dǎo)免疫原性細(xì)胞死亡（ICD）?？傊?，基于腫瘤-TAOC耦合行為的時空特征，研究人員提出了一種初始轉(zhuǎn)移的行為靶向策略（避免藥理耐藥性），通過由TAOC觸發(fā)的原位解偶聯(lián)殺傷脂質(zhì)體系統(tǒng)誘導(dǎo)CaP晶體物理殺傷（避免生化耐藥性），以準(zhǔn)確地從源頭預(yù)防腫瘤轉(zhuǎn)移。
示意圖
腫瘤-TAOC耦合的時空條件
由于經(jīng)典的破骨細(xì)胞發(fā)育涉及巨噬細(xì)胞集落刺激因子（M-CSF）和RANKL的順序刺激，因此研究人員將破骨細(xì)胞的生長階段分為三個關(guān)鍵時期，以探討腫瘤誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成的關(guān)鍵時期：1）破骨細(xì)胞前體（OCP）， 2）RANKL 一天刺激破骨細(xì)胞前體 (R1-OCP) 和 RANKL 五天刺激破骨細(xì)胞前體 (R5-OCP，也稱為 OC)。
腫瘤細(xì)胞通過 RANKL 預(yù)激活誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成，這在多種腫瘤類型中都很明顯。誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞在形態(tài)和功能上類似于 RANKL 刺激的破骨細(xì)胞。值得注意的是，即使在 RANKL 撤離后，R1-OCP 仍保留破骨細(xì)胞潛力，類似于骨形態(tài)。腫瘤吸引骨細(xì)胞主要通過與腫瘤細(xì)胞的直接接觸形成，這一發(fā)現(xiàn)突顯了一種與傳統(tǒng)概念不同的腫瘤誘導(dǎo)成骨吸收細(xì)胞的形成機制，稱為“tumasteoclasts”，其依賴于空間相互作用而非可擴(kuò)散因子。
圖|腫瘤-TAOC耦合的時空條件
遷移體介導(dǎo)腫瘤-TAOC 偶聯(lián)
該研究揭示了腫瘤相關(guān)破骨細(xì)胞樣細(xì)胞（TAOC）和破骨細(xì)胞（OC）在納米尺度上的結(jié)構(gòu)差異，TAOC 的表面有許多微米級的囊泡，而 OC 的表面更光滑。這些囊泡類似于遷移體，由 4T1 細(xì)胞大量產(chǎn)生并含有 RNA。細(xì)胞外鈣水平低會阻礙遷移體的形成。共培養(yǎng)實驗證明細(xì)胞質(zhì)從4T1細(xì)胞轉(zhuǎn)移到 TAOC，并用 GFP標(biāo)記的 4T1 骨轉(zhuǎn)移細(xì)胞在體內(nèi)證實。使用遷移體富集區(qū)域和抑制實驗的進(jìn)一步研究支持這樣的結(jié)論：遷移體促進(jìn)腫瘤細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移至 TAOC，從而介導(dǎo)腫瘤-TAOC 時空耦合。
圖|遷移體介導(dǎo)腫瘤-TAOC 偶聯(lián)
TAOC是骨轉(zhuǎn)移中破骨細(xì)胞的一種特殊亞型
該研究將腫瘤相關(guān)破骨細(xì)胞（TAOC）確定為一種獨特的破骨細(xì)胞亞型，其轉(zhuǎn)錄特征類似于破骨細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞。RNA-seq分析揭示了與破骨細(xì)胞分化相關(guān)的基因、腫瘤特異性 mRNA 和轉(zhuǎn)錄因子的上調(diào)，促進(jìn)了 TAOC 中的破骨細(xì)胞分化和腫瘤細(xì)胞特異性。TAOC 表現(xiàn)出獨特的轉(zhuǎn)錄因子途徑，涉及非經(jīng)典 AP-1 復(fù)雜模式，可能受到腫瘤細(xì)胞通過遷移體轉(zhuǎn)移 mRNA 的影響。對人類骨轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的分析證實了 TAOC 的存在，驗證了它們在骨轉(zhuǎn)移中作為破骨細(xì)胞的特殊亞型的存在，這得到了 TAOC中腫瘤特異性 mRNA 表達(dá)的支持。
圖|TAOC是骨轉(zhuǎn)移中破骨細(xì)胞的一種特殊亞型
HC&HP@TNL 的設(shè)計和表征
隨后，研究人員介紹了一種TAOCs的觸發(fā)式納米脂質(zhì)體系統(tǒng)HC&HP@TNL，可誘導(dǎo)鈣磷酸鹽（CaP）晶體的形成。HC&HP@TNL能有效地靶向骨微環(huán)境，在Ca2+和H+環(huán)境中釋放其內(nèi)容物，導(dǎo)致CaP晶體的產(chǎn)生。體外實驗顯示HC&HP@TNL對TAOCs具有特異性，導(dǎo)致增強的殺傷效應(yīng)。生物礦化實驗表明HC&HP@TNL更易被TAOCs和腫瘤細(xì)胞吸收，而不易被間充質(zhì)干細(xì)胞和成骨細(xì)胞吸收。在骨轉(zhuǎn)移模型中，HC&HP@TNL能準(zhǔn)確標(biāo)記轉(zhuǎn)移區(qū)域的細(xì)胞，證實其受TAOCs觸發(fā)的特異性釋放。流式細(xì)胞術(shù)進(jìn)一步驗證了HC&HP@TNL更易被骨髓腔內(nèi)TAOCs和腫瘤細(xì)胞吸收。總體而言，HC&HP@TNL能精準(zhǔn)地靶向腫瘤與TAOCs的耦合，促進(jìn)鈣離子耗竭和CaP晶體形成，為骨轉(zhuǎn)移的潛在治療策略提供了可能。
圖|HC&HP@TNL 的設(shè)計和表征
HC&HP@TNL的解耦殺傷作用
HC&HP@TNL對 migrasomes 和 TAOCs 有顯著抑制作用，并在多種腫瘤細(xì)胞系中得到驗證。它通過生物礦化的膠原層模擬骨表面侵襲，并有效抑制腫瘤侵襲。HC&HP@TNL抑制腫瘤細(xì)胞的存活和增殖，且其殺傷效應(yīng)隨著磷酸氫鹽濃度的增加而增強?；蚣患治鼋沂玖四[瘤細(xì)胞中鈣超載和氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡途徑。透射電子顯微鏡確認(rèn)了 HC&HP@TNL 釋放后的 CaP 晶體形成，并引發(fā)溶酶體破裂和鈣離子內(nèi)流。CaP@TNL 誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鈣離子增加、線粒體功能障礙、ATP減少和 ROS 積累，促使腫瘤細(xì)胞死亡，并誘導(dǎo)免疫原性細(xì)胞死亡。HC&HP@TNL通過 CaP 晶體引發(fā)鈣超載和氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡及免疫原性細(xì)胞死亡。
圖|HC&HP@TNL的解耦殺傷作用
HC&HP@TNL 抑制骨轉(zhuǎn)移并改善預(yù)后
本研究利用 BICA 模型評估 HC&HP@TNL 對骨轉(zhuǎn)移的效果，結(jié)果顯示其比傳統(tǒng)的化療藥物多柔比星具有更明確的腫瘤抑制作用且副作用較少。HC&HP@TNL 在模擬早期骨轉(zhuǎn)移的 II 型骨內(nèi)動脈注射模型中顯著抑制骨轉(zhuǎn)移，并減輕了骨骼損傷和骨質(zhì)丟失。HC&HP@TNL 預(yù)防使用可抑制腫瘤- TAOC 耦合，降低鈣超載和氧化應(yīng)激。在乳腺腫瘤轉(zhuǎn)移模型中，HC&HP@TNL 顯著減少了腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移事件，并改善了小鼠的生存率和生存時間。HC&HP@TNL 對骨組織中的腫瘤細(xì)胞幾乎消除，減少了骨轉(zhuǎn)移的骨溶解。HC&HP@TNL在 IVIS 可檢測之前抑制了早期轉(zhuǎn)移，可能是改善預(yù)后的關(guān)鍵因素。
HC&HP@TNL 激活抗腫瘤免疫反應(yīng)
研究表明，CaP處理的4T1細(xì)胞在腫瘤疫苗模型中顯著抑制了遠(yuǎn)處腫瘤生長，抗PD-1抗體可進(jìn)一步增強抑制效果。通過尾靜脈給予HC&HP@TNL對骨轉(zhuǎn)移的治療具有類似的效果。HC&HP@TNL能夠增加淋巴結(jié)中成熟樹突狀細(xì)胞的CD80+CD86+比例以及遠(yuǎn)處乳腺腫瘤中CD4+T或CD8+ T細(xì)胞的比例，抗PD-1抗體可以進(jìn)一步增強該效果。在免疫缺陷的 BALB/c-nu/nu 小鼠中，對遠(yuǎn)處腫瘤的抑制效果幾乎消失。HC&HP@TNL與抗PD-1聯(lián)合治療骨轉(zhuǎn)移時，CaP殺傷效果、免疫細(xì)胞死亡反應(yīng)效果和免疫檢查點抑制劑的免疫增強效果之比例分別為44.4%、35.5%和20.1%。最后，HC&HP@TNL的體內(nèi)生物安全性也得到驗證。
圖|HC&HP@TNL 抑制骨轉(zhuǎn)移并改善預(yù)后
小結(jié)
綜上所述，研究人員詳細(xì)探討了腫瘤細(xì)胞與TAOC之間通過遷移體介導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移的時空耦合，并將TAOC定義為破骨細(xì)胞的關(guān)鍵亞型，其在誘導(dǎo)模式（需要接觸）、誘導(dǎo)介質(zhì)（遷移體）和 轉(zhuǎn)錄模式（替代轉(zhuǎn)錄因子途徑）。然后，研究人員根據(jù)腫瘤的時空特征設(shè)計了一種針對腫瘤-TAOC耦合的原位解偶聯(lián)殺傷療法。該策略在確定必要的TAOC誘導(dǎo)行為和通過晶體形成的無藥物物理殺傷的基礎(chǔ)上避免了藥理和生化耐藥性，并通過使用臨床批準(zhǔn)的成分來確保生物安全。由于腫瘤微環(huán)境誘導(dǎo)行為在腫瘤轉(zhuǎn)移中（特別是在單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞譜系，包括破骨細(xì)胞中）是保守且常見的，因此該策略可應(yīng)用于多種器官轉(zhuǎn)移的治療。隨著腫瘤行為研究范圍的擴(kuò)大，將會發(fā)現(xiàn)更多的行為靶點。這項研究為詳細(xì)探索腫瘤細(xì)胞行為提供了一個研究模型，并為行為靶向策略提供了概念驗證，這對早期預(yù)防轉(zhuǎn)移具有廣泛的影響。
參考文獻(xiàn)：
Gu, C., Chen, P., Tian, H. et al. Targeting initial tumour–osteoclast spatiotemporal interaction to prevent bone metastasis. Nat. Nanotechnol. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01613-5
