乳酸线粒体氧化通过CD147/MCT1/LDHB复合体驱动转移性乳腺癌干细胞潜能的新机制

《Nature Communications》：Lactate mitochondrial oxidation drives stemness potential in metastatic breast cancer

本研究针对转移性乳腺癌细胞在脱离细胞外基质后如何维持干细胞特性这一关键问题，揭示了乳酸通过线粒体CD147/MCT1/LDHB复合体被摄取和氧化，进入三羧酸(TCA)循环产生α-酮戊二酸(α-KG)，进而通过DNA甲基转移酶3β(DNMT3B)介导的SOX2低甲基化途径增强干细胞潜能。研究人员开发的靶向线粒体CD147的单链抗体(mito-CD147 scFv)能有效抑制乳酸诱导的干细胞特性和肿瘤转移，为临床干预乳酸驱动的肿瘤转移提供了新策略。

　　

在乳腺癌治疗领域，转移仍是导致患者死亡的主要原因。尽管每年有数百万肿瘤细胞从原发灶脱落，但仅有极少数（不足0.02%）能够存活并形成转移灶。这群具有转移 initiation 能力的细胞被称为转移起始细胞(MICs)，它们通常具备癌症干细胞(CSCs)的特性。然而，这些细胞在脱离原发灶的应激环境下，如何维持其干细胞潜能并成功定植的机制尚不清楚。

近日，第四军医大学的研究团队在《Nature Communications》上发表的研究表明，脱离细胞外基质的乳腺癌细胞通过摄取并氧化乳酸来维持其干细胞特性，从而促进转移过程。研究人员发现，这一过程依赖于线粒体内的CD147/MCT1/LDHB复合体，乳酸进入三羧酸(TCA)循环后产生的α-酮戊二酸(α-KG)通过降低DNA甲基转移酶3β(DNMT3B)活性，导致干细胞关键转录因子SOX2启动子区域低甲基化，进而增强其表达。

研究采用的主要技术方法包括：患者来源异种移植(PDX)模型、循环肿瘤细胞(CTCs)分析、稳定同位素标记代谢流分析、免疫共沉淀、蛋白质印迹、染色质免疫沉淀、透射电子显微镜、分子对接模拟等。研究队列包括临床乳腺癌组织样本、PDX模型和自发成瘤MMTV-PyMT小鼠模型。

乳酸作为脱离乳腺癌细胞TCA循环的燃料

研究人员发现，在脱离细胞外基质的乳腺癌细胞中，葡萄糖、脂肪酸和谷氨酰胺的摄取均减少，但乳酸利用率显著增强。代谢组学分析显示，脱离细胞培养上清中乳酸水平下降，而细胞内乳酸水平升高。稳定同位素示踪实验证实，¹³C₃-乳酸能够掺入TCA循环中间产物，表明乳酸确实被用作能源物质。

乳酸诱导脱离乳腺癌细胞的干细胞潜能

在无葡萄糖培养基中加入乳酸处理，可剂量依赖性地增加ALDH⁺和CD44^highCD24^-/low癌症干细胞比例以及肿瘤球形成能力。乳酸处理还显著增强了移植瘤模型的肺转移结节数、循环肿瘤细胞数量以及转移灶中SOX2表达。

乳酸通过促进TCA循环和OXPHOS诱导干细胞潜能

机制研究表明，乳酸处理增强了细胞ATP水平、氧消耗速率(OCR)和线粒体复合物I活性。抑制乳酸摄取或氧化可逆转这些效应，而OXPHOS抑制剂则能抑制乳酸诱导的干细胞特性。

乳酸通过促进α-KG-DNMT3B介导的SOX2低甲基化诱导干细胞潜能

乳酸衍生的α-KG水平在脱离细胞中升高，而α-KG类似物可进一步增强干细胞特性。全基因组DNA甲基化分析显示，乳酸处理降低了SOX2启动子特定区域(181720250-181720500)的甲基化水平，这一效应依赖于DNMT3B活性。

线粒体CD147/MCT1/LDHB复合体负责乳酸摄取和氧化

研究人员在脱离乳腺癌细胞线粒体内膜发现CD147/MCT1/LDHB复合体存在。该复合体的形成增强了乳酸摄取和氧化能力，且与患者乳腺癌转移和不良预后显著相关。

线粒体CD147促进乳酸诱导的脱离乳腺癌细胞干细胞潜能

通过构建CD147基因敲除(KO)和线粒体特异性表达(mito147)细胞系，研究人员证实线粒体CD147对乳酸诱导的干细胞潜能至关重要。线粒体CD147表达可恢复CD147 KO细胞中乳酸摄取、氧化和干细胞特性。

细胞内表达的靶向线粒体CD147的scFv抑制乳酸诱导的干细胞潜能

研究人员开发了靶向线粒体CD147的单链抗体(mito-CD147 scFv)，该抗体能有效破坏CD147/MCT1/LDHB复合体形成，抑制乳酸摄取和氧化，降低干细胞比例和SOX2表达，显著减少肺转移和循环肿瘤细胞数量。

研究结论表明，线粒体CD147/MCT1/LDHB复合体介导的乳酸代谢重编程是脱离乳腺癌细胞维持干细胞特性和促进转移的关键机制。靶向这一通路可能成为抑制乳腺癌转移的新策略。研究人员开发的mito-CD147 scFv在临床前模型中显示出良好的抗转移效果，为转化医学研究提供了新方向。

这项研究不仅揭示了乳酸代谢在肿瘤干细胞调控中的新功能，也为理解肿瘤细胞在转移过程中的代谢适应性提供了重要见解。通过靶向线粒体乳酸代谢关键分子，可能为抑制肿瘤转移提供新的治疗机会。