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H ₂ O ₂ 热点区域可促进癌细胞扩散。在H ₂ O ₂ 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H ₂ O ₂ 热点区域

首先，研究人员开发了 一种肿瘤靶向的不可逆H ₂ O ₂ 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） 、H ₂ O ₂ 敏感化学探针PG1 （可检测H2O2并释放绿色荧光） 以及H ₂ O ₂ 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H ₂ O ₂ 暴露水平。实验结果表明，T-AP1探针成功揭示了肿瘤中的H ₂ O ₂ 热点区域，这些区域H ₂ O ₂ 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，H ₂ O ₂ 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H ₂ O ₂ 在肿瘤组织中的空间异质性。此外，H ₂ O ₂ 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，H ₂ O ₂ 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H ₂ O ₂ 热点区域的形成可能与肿瘤出芽过程密切相关。

H ₂ O ₂ 驱动肿瘤出芽和癌细胞扩散的机制

为了进一步探索H ₂ O ₂ 在肿瘤中的作用，研究人员利用T-AP1探针分析了暴露于H ₂ O ₂ 的肿瘤细胞，发现 H ₂ O ₂ 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，H ₂ O ₂ 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，H ₂ O ₂ 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，H ₂ O ₂ 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H ₂ O ₂ 驱动的EMT和肿瘤扩散过程中起关键作用。此外，催化酶抑制H ₂ O ₂ 活性后，肿瘤出芽和PG1/AF647比率均显著降低，进一步证实H ₂ O ₂ 在EMT诱导和癌细胞扩散中的核心作用。研究还发现，H ₂ O ₂ 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H ₂ O ₂ ，促使肿瘤细胞进入部分EMT状态并逃离高H ₂ O ₂ 区域。去除中性粒细胞后，H ₂ O ₂ 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H ₂ O ₂ 热点区域形成中的关键作用。总之， 研究揭示了 H ₂ O ₂ 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H ₂ O ₂ 探针，可检测低浓度H ₂ O ₂ 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。

原文链接：

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

制版人： 十一

1. Tabassum, D. P. & Polyak, K. Tumorigenesis: it takes a village. Nat. Rev. Cancer 15, 473-483 (2015).

2. Marusyk, A., Janiszewska, M. & Polyak, K. Intratumor heterogeneity: the rosetta stone of therapy resistance. Cancer Cell 37, 471-484 (2020).

3. Marine, J. C., Dawson, S. J. & Dawson, M. A. Non-genetic mechanisms of therapeutic resistance in cancer. Nat. Rev. Cancer 20, 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).