肿瘤原发性微环境的柔软 “陷阱”：促乳腺癌脑转移的新机制

为探究原发性肿瘤机械异质性对脑转移的影响，香港理工大学的研究人员开展相关研究，发现软微环境可诱导肿瘤细胞获得脑转移潜能，该成果揭示了肿瘤转移新机制。

　　肿瘤转移一直是癌症研究中的关键难题，其中肿瘤细胞向特定器官的转移，如乳腺癌细胞转移至脑部，更是让病情雪上加霜。据统计，约 20% 的癌症患者会发生脑转移，这通常会导致神经功能障碍，预后极差。以乳腺癌为例，10 - 30% 的转移性乳腺癌患者会出现脑转移，其中位总生存期仅 8.7 个月。尽管此前研究发现肿瘤细胞转移存在器官偏好，且原发性和转移性肿瘤在基因层面有一定关联，但肿瘤细胞如何获得向特定器官转移的能力，尤其是原发性肿瘤微环境在其中的作用，仍有许多未解之谜。此外，虽然生化机制在肿瘤转移中的作用已被部分揭示，但原发性肿瘤力学在转移中的意义却未得到充分研究，特别是原发性肿瘤机械异质性对转移的影响，更是知之甚少。在这样的背景下，为了解开这些谜团，香港理工大学的研究人员展开了深入研究。

研究人员采用了多种关键技术方法。在细胞实验方面，培养了多种细胞系，包括 MDA - MB - 231（231）及其脑转移（231 - BrM）、骨转移（231 - BoM）衍生物等，并利用聚丙烯酰胺（PA） hydrogels 模拟原发性肿瘤内的软、硬微环境对细胞进行机械刺激。在检测分析上，运用定量逆转录聚合酶链反应（qRT - PCR）、RNA 测序（RNA - seq）等技术分析基因表达变化；借助生物信息分析挖掘基因功能和信号通路。动物实验上，通过对小鼠进行心内注射、颅内注射和原位注射等操作构建肿瘤转移模型，结合生物发光成像技术观察肿瘤转移情况。

下面来看具体的研究结果。

1. 软微环境诱导肿瘤细胞转录重编程并促进脑转移潜能：研究人员通过超声剪切波弹性成像发现原发性乳腺癌肿瘤内存在机械异质性，其局部微环境刚度在 0.2 - 45 kPa 之间变化。为探究其影响，将人乳腺癌细胞在模拟软（0.6 kPa）、硬（35 kPa）微环境的 PA hydrogels 上连续培养。结果显示，在软微环境中培养 5 - 10 代后，多数脑转移相关基因显著上调，类似具有脑转移倾向的 MDA - MB - 231 衍生物的基因特征，而骨转移相关基因下调。RNA - seq 分析进一步证实，软微环境诱导的肿瘤细胞发生转录重编程，富集了与神经元和中枢神经系统相关的通路。功能实验表明，软微环境预处理的肿瘤细胞在模拟血液循环的剪切应力下存活率更高，与脑内皮细胞的黏附能力更强，在体外血脑屏障（BBB）模型中的跨膜迁移能力增强，在模拟脑微环境的基质上增殖和存活能力也更优，这一系列结果表明软微环境能促进肿瘤细胞获得脑转移潜能。
2. 软预处理增强体内脑转移倾向性：在体内实验中，心内注射软预处理的乳腺癌细胞后，75% 的小鼠发生脑转移，显著高于硬预处理（40%）和未处理的亲本细胞（20%），且形成的脑转移瘤更大。通过对脑转移无进展生存期的分析，也证实了软预处理可增强肿瘤细胞的体内脑转移潜能。进一步研究发现，软预处理的细胞在体内并非通过优先在脑毛细血管床滞留来促进转移，而是通过增强跨 BBB 的外渗和脑定植能力实现的。
3. 软预处理改变细胞机械表型并赋予机械记忆：软预处理的肿瘤细胞在软微环境中表现出更高的刚度，其 F - actin 和肌球蛋白激活水平升高。当将这些细胞转移到组织培养塑料（TCP）上时，它们的形态和刚度会发生变化，但仍保留一定的脑转移相关基因表达，且在重新回到软微环境后，能快速上调脑转移基因，这表明软微环境预处理可改变细胞机械表型并赋予机械记忆。
4. 体外软预处理通过表型重编程赋予肿瘤细胞脑转移能力：利用单细胞克隆技术，研究人员发现软预处理可使低水平脑转移基因的肿瘤细胞亚克隆上调脑转移基因，促进其跨 BBB 迁移、脑定植和在软基质上的增殖，这表明软微环境可通过表型重编程赋予肿瘤细胞脑转移能力。
5. HDAC3 对软微环境诱导的脑转移至关重要：RNA - seq 分析显示，软预处理的肿瘤细胞中染色质和组蛋白修饰相关通路富集，尤其是组蛋白去乙酰化和 HDACs。进一步研究发现，抑制 HDACs 可降低软预处理细胞的染色质凝聚，下调脑转移基因，抑制其跨 BBB 迁移、脑定植和在软基质上的增殖。其中，HDAC3 在软微环境诱导的脑转移中起关键作用，抑制 HDAC3 可消除软微环境诱导的脑转移表型，且临床数据显示乳腺癌脑转移患者原发性肿瘤中 HDAC3 的 mRNA 水平更高。此外，抑制 HDAC3 还能有效减少体内脑转移的发生，提高小鼠的脑转移无进展生存期。
6. 软微环境中受抑制的机械转导促进 HDAC3 介导的脑转移：细胞可通过整合素介导的机械转导感知微环境的力学信号。研究发现，激活肌动蛋白细胞骨架和 Rho 活性可拮抗 HDAC3 活性，部分逆转软微环境诱导的脑转移相关表型；而破坏细胞核机械感知则会削弱软微环境诱导的脑转移。这表明软微环境中受抑制的机械转导通过促进 HDAC3 活性，进而促进脑转移。
7. 原位异种移植瘤中软微环境中的肿瘤细胞具有脑转移倾向：研究人员开发了一种微环境刚度生物传感器，发现肿瘤异种移植瘤中，软微环境区域的肿瘤细胞高表达 mCherry，且这些细胞的 RUNX2 核定位水平较低，SerpinB2 和 HDAC3 活性较高。分离这些细胞后发现，它们在体外具有更强的跨 BBB 迁移、脑定植和在软微环境中增殖的能力，在体内也更易引发脑转移，这表明原位异种移植瘤中软微环境可促进肿瘤细胞的脑转移倾向性。
8. 微环境软度诱导的脑转移具有临床相关性：通过对癌症基因组图谱（TCGA）中乳腺癌患者的 RNA 表达谱分析，发现脑转移基因特征在高 NDRG1 表达的原发性肿瘤中富集，且 NDRG1 表达与脑转移基因特征呈正相关。对单细胞 RNA - seq 和空间转录组学数据的分析也表明，脑转移基因特征和 HDAC3 在人乳腺癌活检组织的软微环境区域富集，这进一步证实了该研究的临床相关性。

综合上述研究结果，该研究发现原发性肿瘤微环境的机械异质性对肿瘤转移具有重要影响，其中软微环境可通过抑制机械转导 - HDAC3 信号轴，诱导肿瘤细胞发生神经元样转录重编程，促进其获得脑转移潜能。这一发现揭示了肿瘤转移的新机制，为理解肿瘤转移的器官特异性提供了新视角。同时，研究还表明抑制 HDAC3 可能是预防和治疗乳腺癌脑转移的潜在策略，为癌症治疗开辟了新方向。然而，研究也指出，目前仍需进一步在与临床样本更相关的患者来源异种移植模型中验证软微环境对肿瘤转移的影响，并且深入研究软微环境介导的机械转导调节 HDAC3 活性的分子机制，以及 HDAC3 影响脑转移相关基因表达的具体机制，这些研究将有助于进一步完善对肿瘤转移的认识，推动癌症治疗领域的发展。