Nat Cell Biol | 肿瘤氧化热点区域促进癌细胞扩散

撰文 | 染色体

肿瘤内异质性在肿瘤进展和治疗耐药性中起着重要作用【1】，涉及遗传、表型和微环境等多方面的差异。单细胞DNA和RNA测序技术已揭示遗传和表型异质性，有助于理解肿瘤的发展、免疫浸润模式及耐药机制【2】。然而，由于微环境因素大多不受基因调控，其在肿瘤内的异质性仍未被充分解析【3】。

近日，来自日本京都大学合成化学与生物化学系的Nobuaki Takahashi与Yasuo Mori共同在Nature Cell Biology期刊发表题为Intratumour oxidative hotspots provide a niche for cancer cell dissemination（肿瘤内的氧化热点区域为癌细胞扩散提供了一个栖息地）的文章。研究开发了T-AP1探针，揭示肿瘤内由中性粒细胞形成的H2O2热点区域可促进癌细胞扩散。在H2O2的刺激下，肿瘤细胞通过p38-MYC通路发生上皮-间质转化（EMT）并迁移，而正常上皮细胞对此无明显反应。这一发现为肿瘤转移的起始机制提供了新的见解。

癌细胞在非自然环境中的不受控增殖会导致活性氧（ROS）的产生，这已成为癌症的标志之一【4】。尽管ROS在癌症演变中起着重要作用，但由于技术限制，肿瘤内ROS的异质性及其对肿瘤行为的影响仍不清楚。因此，开发能够检测和表征肿瘤内ROS异质性的技术，对于深入理解肿瘤内异质性及其相互作用至关重要。

T-AP1探针检测肿瘤H2O2热点区域

首先，研究人员开发了一种肿瘤靶向的不可逆H2O2探针T-AP1，用于高分辨率、灵敏地成像肿瘤微环境中的ROS。该探针结合了抗HER2抗体曲妥珠单抗（trastuzumab）、H2O2敏感化学探针PG1（可检测H2O2并释放绿色荧光）以及H2O2不敏感的荧光染料AF647，使其能够特异性标记HER2阳性肿瘤细胞，并通过PG1/AF647的荧光比率变化反映细胞的H2O2暴露水平。实验结果表明，T-AP1探针成功揭示了肿瘤中的H2O2热点区域，这些区域H2O2水平显著升高，尤其集中在活跃出芽区域，为癌细胞扩散提供了有利环境。值得注意的是，H2O2热点区域的分布与HER2表达水平或T-AP1的积累无直接关联，而是反映了H2O2在肿瘤组织中的空间异质性。此外，H2O2热点区域不仅存在于HER2阳性肿瘤中，HER2阴性肿瘤也可检测到类似热点区域，这一现象通过EGFR和E-CAD靶向探针（P-AP1和E-AP1）进一步得到验证。研究还发现，肿瘤发展过程中，H2O2热点区域的分布具有时序性变化。在肿瘤早期（1-2周），T-AP1信号较低且分布均匀，而在晚期（3-4周），T-AP1信号显著增强，并呈现空间异质性，同时肿瘤出芽现象明显增加，提示H2O2热点区域的形成可能与肿瘤出芽过程密切相关。

H2O2驱动肿瘤出芽和癌细胞扩散的机制

为了进一步探索H2O2在肿瘤中的作用，研究人员利用T-AP1探针分析了暴露于H2O2的肿瘤细胞，发现H2O2热点区域能够诱导部分上皮-间质转化（EMT），促使癌细胞迁移和扩散。RNA测序结果显示，H2O2暴露的肿瘤细胞中 MYC信号通路被激活，并伴随EMT标志基因（如VIM、SNAI3、TWIST1、FN1等）上调，而上皮细胞粘附蛋白E-CAD（CDH1）的表达保持不变，表明这些细胞处于部分EMT（Hybrid E/M）状态。进一步实验发现，H2O2通过 激活p38-MYC通路 促进MYC表达，进而增强癌细胞的迁移和侵袭能力。CRISPR-Cas9敲除MYC后，H2O2诱导的VIM表达和细胞迁移能力显著降低，而过表达MYC则增强了VIM表达，表明MYC在H2O2驱动的EMT和肿瘤扩散过程中起关键作用。此外，催化酶抑制H2O2活性后，肿瘤出芽和PG1/AF647比率均显著降低，进一步证实H2O2在EMT诱导和癌细胞扩散中的核心作用。研究还发现，H2O2热点区域的形成主要由肿瘤微环境中的中性粒细胞驱动。实验表明，中性粒细胞在肿瘤组织中聚集并释放H2O2，促使肿瘤细胞进入部分EMT状态并逃离高H2O2区域。去除中性粒细胞后，H2O2热点区域及肿瘤出芽现象明显减少，进一步证明了中性粒细胞在H2O2热点区域形成中的关键作用。总之，研究揭示了 H2O2通过诱导部分EMT和肿瘤出芽促进癌细胞扩散的机制，强调了肿瘤微环境中ROS的动态作用。同时，研究发现 NRF2超活化可抑制这一逃逸机制，通过增强ROS中和能力帮助肿瘤细胞在氧化应激环境中生存。这一发现为 靶向ROS调控肿瘤转移提供了新思路，并可能为阻断肿瘤扩散提供潜在的治疗策略。

综上所述，该研究开发了靶向HER2、EGFR、E-CAD和中性粒细胞的H2O2探针，可检测低浓度H2O2并永久标记受氧化应激的细胞。研究揭示了肿瘤内的氧化热点区域为癌细胞扩散提供了有利环境，并发现癌细胞通过“物理逃逸”机制躲避氧化应激，从而促进迁移和扩散。

https://doi.org/10.1038/s41556-025-01617-w

制版人： 十一

参考文献

1. Tabassum, D. P. & Polyak, K. Tumorigenesis: it takes a village.Nat. Rev. Cancer15, 473-483 (2015).

2. Marusyk, A., Janiszewska, M. & Polyak, K. Intratumor heterogeneity: the rosetta stone of therapy resistance.Cancer Cell37, 471-484 (2020).

3. Marine, J. C., Dawson, S. J. & Dawson, M. A. Non-genetic mechanisms of therapeutic resistance in cancer.Nat. Rev. Cancer20, 743-756 (2020).

4. Gorrini, C., Harris, I. S. & Mak, T. W. Modulation of oxidative stress as an anticancer strategy.Nat. Rev. Drug Discov.12, 931-947 (2013).

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