机械压缩通过CSK23-IKKβ-NF-κB轴上调ALDH1B1促进肿瘤细胞在受限空间中存活及转移的新机制

《Nature Communications》：Compression-induced NF-κB activation sustains tumor cell survival in confinement by detoxifying aldehydes and promotes metastasis

本研究针对肿瘤细胞在转移过程中如何适应狭窄毛细血管内的机械压力并存活这一关键问题，揭示了压缩力通过激活PIEZO1-CSK23-IKKβ-NF-κB信号通路上调ALDH1B1表达，进而增强醛类物质解毒能力、抑制铁死亡，最终促进肿瘤细胞在受限环境中的存活和转移。该发现为靶向ALDH1B1或CSK23抑制肿瘤转移提供了新的治疗策略。

　　

癌症之所以可怕，很大程度上源于其强大的转移能力。想象一下，肿瘤细胞如同叛逆的探险家，它们离开原发部位，闯入血流，试图在遥远的器官建立新的“殖民地”。然而，这段旅程充满艰险，尤其是当它们必须挤过比自身直径还要狭窄的毛细血管时，会遭遇巨大的机械压力。以往的研究多关注于肿瘤细胞的基因突变或营养代谢重编程，但对于它们在如此“憋屈”的环境下如何生存下来，并成功完成转移的机制，我们知之甚少。这就像一个黑箱，阻碍了我们开发出有效遏制癌症转移的药物。发表在《Nature Communications》上的这项研究，正是为了揭开这个黑箱之谜。

为了系统性地回答这个问题，研究人员巧妙地运用了几项关键技术。他们首先在肺癌小鼠模型中进行了一项大规模的体内CRISPR-Cas9基因敲除筛选，靶向了1685个代谢酶基因，以寻找对肿瘤细胞在肺毛细血管中存活至关重要的基因。利用Flexcell压缩系统模拟体内机械压力，并结合Transwell小室迁移实验、微流控通道等体外模型，研究细胞在空间限制下的行为。通过免疫共沉淀、体外激酶实验、染色质免疫共沉淀等技术深入探究了CSK23与IKKβ的相互作用及NF-κB对ALDH1B1的转录调控。此外，研究还采用了质谱分析醛类物质含量、BODIPY 581/591 C11探针检测脂质过氧化、GSH/GSSG比值测定等方法评估铁死亡水平，并利用临床肺癌患者组织样本进行免疫荧光分析，验证基础研究发现与临床的相关性。

ALDH1B1是肿瘤细胞在毛细血管中存活和远处转移所必需的

为了找出帮助肿瘤细胞在狭窄空间中迁移的关键代谢酶，研究团队在肺癌A549细胞中进行了体内CRISPR功能丧失性筛选。他们将携带靶向1685个代谢酶基因的sgRNA文库的细胞通过尾静脉注射到小鼠体内，24小时后，从肺组织中分选出存活的肿瘤细胞，并分析其中sgRNA的丰度。结果显示，有57个代谢酶基因的缺失会损害肿瘤细胞在受限毛细血管中的存活，其中ALDH1B1脱颖而出。临床数据分析进一步表明，ALDH1B1的表达在发生转移复发的肺癌患者中显著升高。在功能上，敲低ALDH1B1会增加肿瘤细胞在Transwell小室孔隙中的死亡，并显著抑制其在小鼠体内的肺转移和脑转移能力，延长荷瘤小鼠的生存期。这表明ALDH1B1对于肿瘤细胞在受限空间中的存活和后续转移至关重要。

ALDH1B1通过解毒醛类物质维持受限空间中肿瘤细胞的存活

ALDH1B1是一种醛脱氢酶。研究人员发现，其酶活性是其功能的关键，因为回补野生型ALDH1B1能挽救敲低细胞在受限环境下的存活和迁移缺陷，而酶活性失活的突变体则不能。机制上，空间限制会导致细胞内醛类物质（如乙醛、丙醛等）积累，而ALDH1B1的缺失会加剧这种积累。使用醛类清除剂Acloproxalap处理，可以逆转ALDH1B1敲低导致的细胞死亡和迁移受损。进一步研究发现，ALDH1B1的缺失会加剧受限细胞中的脂质过氧化和谷胱甘肽耗竭，这些都是铁死亡的标志。而过表达谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4），一个关键的铁死亡抑制蛋白，也能挽救ALDH1B1敲低细胞的表型。这些结果证明，ALDH1B1通过解毒醛类物质来抑制铁死亡，从而保护受限的肿瘤细胞。

压缩力诱导ALDH1B1在受限细胞中上调

那么，在受限环境下，ALDH1B1的表达是如何被调控的呢？研究人员发现，无论是空间限制还是直接施加机械压缩力，都能上调ALDH1B1的mRNA和蛋白水平。机械敏感离子通道PIEZO1在这一过程中扮演了核心角色，敲低PIEZO1能完全阻断压缩力诱导的ALDH1B1上调，并增加肿瘤细胞在体内外的死亡。这表明机械压力是驱动ALDH1B1表达的关键信号。

NF-κB在压缩作用下上调ALDH1B1表达

通过对信号通路抑制剂的筛选，研究人员发现NF-κB通路是调控ALDH1B1表达的上游关键。压缩力能显著增强ALDH1B1启动子的活性，而NF-κB抑制剂或敲低其关键转录因子RelA，都能阻断这种上调。染色质免疫共沉淀实验证实，压缩力能促使RelA结合到ALDH1B1的启动子区域。更重要的是，在RelA敲低的细胞中回补ALDH1B1，可以降低醛类水平，减轻脂质过氧化，并恢复细胞的存活和迁移能力。这清晰地勾勒出NF-κB通过转录激活ALDH1B1来帮助细胞抵抗压缩压力的路径。

压缩力通过PIEZO1激活IKKβ和NF-κB

NF-κB的经典激活依赖于IKKβ（IκB kinase β）对其抑制蛋白IκBα的磷酸化和降解。研究显示，压缩力能迅速诱导IKKβ在Ser177/181位点的磷酸化（激活标志），并促进IκBα的磷酸化降解，从而导致RelA入核，激活NF-κB报告基因。敲低IKKβ或PIEZO1都能抑制这一过程。这表明压缩力通过PIEZO1激活了IKKβ-NF-κB信号轴。

CSK23磷酸化IKKβ以激活NF-κB

为了找到连接机械信号和IKKβ激活的“桥梁”，研究人员通过质谱分析寻找压缩后与IKKβ相互作用的蛋白激酶。结果显示，酪蛋白激酶2α3（CSK23）与IKKβ的结合在压缩后显著增强。敲低CSK23会抑制压缩诱导的IKKβ磷酸化、IκBα降解以及ALDH1B1的表达。体外激酶实验进一步证实，CSK23能够直接磷酸化IKKβ的Ser177/181位点。钙离子信号传导的关键信使钙调蛋白（CaM）可能介导了PIEZO1激活后钙内流与CSK23活化之间的连接。

CSK23是受限细胞存活和远处转移所必需的

功能上，敲低CSK23会增加受限细胞的脂质过氧化和死亡，抑制其迁移，而回补RelA或ALDH1B1则可以挽救这些缺陷。在动物模型中，敲低CSK23能抑制肿瘤的脑转移，并且这种抑制同样可被ALDH1B1过表达所逆转。此外，使用CSK23的抑制剂Silmitasertib处理，也能有效抑制肿瘤细胞的受限迁移和体内转移，延长小鼠生存期。这证明了靶向CSK23的治疗潜力。

NF-κB依赖性ALDH1B1表达在肺癌患者中的临床相关性

最后，研究团队在临床样本中验证了其发现。对肺癌患者组织的分析显示，与血管外的肿瘤细胞相比，被限制在肺毛细血管内的肿瘤细胞表现出更高的ALDH1B1表达和核RelA水平，且两者呈正相关。同时，这些细胞内的4-HNE（一种脂质过氧化终产物）水平更高，而ALDH1B1表达与4-HNE积累及细胞死亡呈负相关。更重要的是，发生转移复发的患者，其毛细血管内受限肿瘤细胞的ALDH1B1表达更高，4-HNE水平更低。这有力地支持了该通路在人类肺癌转移中的重要作用。

综上所述，这项研究揭示了一条全新的、由机械压力驱动的信号通路：肿瘤细胞在转移过程中遭遇的压缩力，通过PIEZO1-CaM-CSK23-IKKβ-NF-κB信号级联反应，上调了ALDH1B1的表达。ALDH1B1通过增强对醛类物质的解毒能力，有效抑制了由醛类积累引发的铁死亡，从而像给细胞穿上了一件“防压服”，保障了它们在狭窄毛细血管中的存活，最终促进了转移的发生。这项工作的意义重大，它不仅首次系统地阐明了机械力如何重编程肿瘤细胞的代谢以适应转移微环境，更重要的是，发现了ALDH1B1和CSK23这两个潜在的抗转移治疗新靶点。研究者证实，使用ALDH1B1抑制剂IGUANA-1或CSK23抑制剂Silmitasertib，都能在动物模型中有效抑制肺癌的脑转移，为临床转化提供了令人鼓舞的前景。未来，针对这一“机械-代谢”轴开发药物，或许能为遏制癌症转移这一难题带来新的突破。