CAF源性GDF15通过PI3K/AKT/STAT3轴级联反应诱导头颈鳞癌氧化应激与中性粒细胞浸润的机制研究

本研究针对头颈鳞状细胞癌（HNSCC）中肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）与肿瘤细胞相互作用的机制难题，通过多组学技术与功能实验验证，首次揭示CAF来源的生长分化因子15（GDF15）通过激活PI3K/AKT/STAT3信号轴，诱导线粒体氧化应激失衡并促进中性粒细胞浸润，进而驱动肿瘤恶性进展。研究者进一步通过分子动力学模拟筛选出小分子抑制剂SM-2（risperidone），可有效阻断GDF15–GFRAL信号通路，为HNSCC靶向治疗提供了新型策略。

　　

头颈鳞状细胞癌（HNSCC）作为全球第六大常见恶性肿瘤，五年生存率不足50%，其高复发率与转移特性构成临床治疗的重大挑战。尽管免疫检查点抑制剂联合传统疗法已取得一定进展，但对复发转移性HNSCC仍效果有限。肿瘤微环境（TME）中癌症相关成纤维细胞（CAFs）的功能异质性及其与肿瘤细胞的交互作用，已成为突破治疗瓶颈的关键科学问题。

为深入解析CAFs在HNSCC中的作用机制，研究团队整合单细胞RNA测序（scRNA-seq）、空间转录组技术和分子动力学模拟等多维度研究手段，通过对32例患者样本的95,677个高质量细胞进行分析，系统描绘了HNSCC演进过程中成纤维细胞的动态演化图谱。关键技术方法包括：①单细胞与空间转录组联合分析鉴定CAF亚型；②体外共培养体系与基因敲降/过表达功能验证；③分子对接与动力学模拟筛选靶向化合物；④患者来源异种移植（PDX）与细胞系异种移植（CDX）模型验证靶点功能。

研究结果揭示多个重要发现：

1. 鉴定具有活跃增殖和增强干性的成纤维细胞亚型

通过scRNA-seq鉴定出8个成纤维细胞亚群，其中C7 PCLAF⁺成纤维细胞亚型显著富集于肿瘤组织，呈现高增殖活性（S期和G2/M期细胞比例升高）和干细胞特性，空间定位显示其与恶性细胞区域紧密相邻。

2. C7 PCLAF⁺成纤维细胞的生物学特性表征

该亚型表现出基质CAF（mCAF）特征，活跃参与细胞外基质重塑。代谢分析显示其氧化磷酸化和嘧啶代谢通路显著激活，与化疗耐药性密切相关。

3. 肿瘤细胞中TGFB1负向调控成纤维细胞PCLAF表达

细胞通讯分析发现TGF-β信号通路介导肿瘤细胞与C7亚型的交互作用。实验验证TGFB1通过旁分泌作用抑制CAFs中PCLAF表达，进而削弱其促侵袭能力。

4. GDF15通过转录因子IRF5诱导PCLAF表达上调

机制研究表明GDF15与IRF5直接结合，促进其核转位并激活PCLAF转录。染色质免疫沉淀（ChIP）证实IRF5结合于PCLAF启动子特定区域（TFBS1和TFBS2）。

5. GDF15与受体GFRAL相互作用增强肿瘤细胞氧化应激

研究发现CAFs而非肿瘤细胞是GDF15的主要来源。外源GDF15通过结合GFRAL受体激活PI3K/AKT/STAT3通路，诱导抗氧化基因（SOD2、GPX1、Nrf2）表达，导致氧化应激失衡。动物实验证实GFRAL敲降可逆转GDF15促瘤效应。

6. GDF15通过TNF-α/CTCF轴调控氧化应激

GDF15刺激促使CTCF富集于抗氧化基因启动子区，该过程依赖TNF-α/p53信号轴。抑制TNF-α可阻断GDF15诱导的ROS积累和核转录因子活化。

7. GDF15通过TNF-α依赖性旁分泌信号促进中性粒细胞招募

GDF15通过激活ERK1/2通路增强中性粒细胞趋化性，并调控其功能极化（CD154⁺/CD95⁺表型升高）。体内实验证明中性粒细胞协同MSCs促进肺转移。

8. 伊立替康和利培酮作为GDF15–GFRAL信号调节剂

分子动力学模拟发现SM-2（risperidone）通过氢键、盐桥和π-阳离子相互作用稳定结合GDF15–GFRAL复合物，抑制下游信号传导。功能实验证实SM-2可有效逆转CAFs介导的肿瘤恶性表型。

研究结论与讨论部分强调：本研究首次系统阐明CAF来源的GDF15通过PI3K/AKT/STAT3/TNF-α/CTCF信号级联反应，双重调控氧化应激与中性粒细胞浸润的分子机制。创新性发现：①鉴定PCLAF⁺ CAF亚型及其干细胞特性；②揭示GDF15–GFRAL轴通过调控染色质重塑因子CTCF影响抗氧化转录程序；③明确TNF-α在连接炎症信号与氧化应激中的枢纽作用；④通过计算生物学筛选出具有转化应用潜力的小分子抑制剂SM-2。该研究不仅为HNSCC靶向治疗提供新靶点，也为肿瘤微环境研究范式提供了多组学整合分析的方法学参考。

值得注意的是，研究存在部分局限性：①GDF15上游调控机制尚未完全解析；②CTCF结合位点的富集倍数相对较低，需更高通量实验验证；③中性粒细胞极化标记物的全面性有待补充。未来研究可聚焦于GDF15转录调控机制、SM-2的体内药效学优化，以及针对该通路的临床转化研究。