营养可用性协调三维非小细胞肺癌球体中线粒体-细胞骨架状态以调控侵袭与扩展

《Journal of Experimental & Clinical Cancer Research》：Nutrient availability shapes tumour adaptation: a systems-level view in 3D lung adenocarcinoma models

摘要

背景

非小细胞肺癌（NSCLC）的进展取决于肿瘤细胞适应异质微环境中代谢和机械限制的能力。在空间结构化系统中，营养可用性如何协调线粒体功能与细胞骨架组织及上皮-间质可塑性之间关系仍未明确。

方法

利用已建立的细胞系和患者来源系统建立了三维（3D）球体NSCLC模型。在明确的营养丰富和营养受限条件下培养细胞，以模拟异质性肿瘤微环境。采用高分辨率成像进行超微结构分析，评估线粒体形态和嵴组织。将多组学分析（包括转录组和蛋白质组分析）与功能性代谢实验相结合，以评估线粒体活性和呼吸灵活性。通过成像、分子分析和通路特异性实验研究细胞骨架组织和信号通路，重点关注肌动蛋白动力学、上皮-间质可塑性和AKT信号通路。进行功能实验以评估三维球体系统中的粘附、扩展、迁移和侵袭能力。

结果

营养可用性定义了三维球体NSCLC模型中不同的线粒体-细胞骨架状态。在营养丰富条件下，细胞表现出延长的线粒体，嵴结构得以保存，融合相关程序增加，氧化代谢增强。相反，营养受限条件与线粒体形态改变和呼吸灵活性降低相关。这些代谢状态与不同的细胞骨架结构相耦合。营养丰富的球体表现出动态F-肌动蛋白重塑、类似间质的转录谱和增加的AKT信号通路，与更具侵袭性的表型一致。相比之下，营养受限的球体维持皮层肌动蛋白强化和黏着斑蛋白积累，与更受约束的结构表型一致。多组学整合支持细胞外基质重塑和机械转导网络的协调调节。

结论

功能上，这些状态揭示了扩展和侵袭之间的营养依赖性解耦。营养受限的球体表现出高效的粘附力和径向扩展，而营养丰富的球体显示出极少的粘附/扩展能力，但表现出增强的侵袭潜力。总体而言，这些发现定义了连接代谢背景与结构可塑性及不同行为程序的、营养依赖性的线粒体-细胞骨架状态，为理解代谢异质性如何影响NSCLC的肿瘤进展和侵袭提供了具有临床意义的框架。

图形摘要

营养可用性协调三维NSCLC球体中线粒体可塑性、细胞骨架组织和EMP样状态。在营养受限条件下（浅绿色面板），球体表现出与线粒体重塑一致的压力适应性反应，其特征为OXPHOS减少和糖酵解依赖增加，并与皮层肌动蛋白强化、ZYX积累以及有利于粘附和扩展的紧凑结构相结合。相比之下，营养丰富条件（浅蓝色面板）与MFN2/OPA1相关的线粒体融合程序、增强的氧化代谢和AKT激活相关，支持动态肌动蛋白重塑、增加的ZYX-肌动蛋白耦联和升高的细胞骨架可塑性。这些状态提示了不同的适应性程序，其中营养可用性整合代谢和结构网络以调节三维NSCLC模型中的迁移和侵袭。示意图使用BioRender.com制作。

背景

非小细胞肺癌（NSCLC）的进展取决于肿瘤细胞适应异质微环境中代谢和机械限制的能力。在空间结构化系统中，营养可用性如何协调线粒体功能与细胞骨架组织及上皮-间质可塑性之间关系仍未明确。

方法

利用已建立的细胞系和患者来源系统建立了三维（3D）球体NSCLC模型。在明确的营养丰富和营养受限条件下培养细胞，以模拟异质性肿瘤微环境。采用高分辨率成像进行超微结构分析，评估线粒体形态和嵴组织。将多组学分析（包括转录组和蛋白质组分析）与功能性代谢实验相结合，以评估线粒体活性和呼吸灵活性。通过成像、分子分析和通路特异性实验研究细胞骨架组织和信号通路，重点关注肌动蛋白动力学、上皮-间质可塑性和AKT信号通路。进行功能实验以评估三维球体系统中的粘附、扩展、迁移和侵袭能力。

结果

营养可用性定义了三维球体NSCLC模型中不同的线粒体-细胞骨架状态。在营养丰富条件下，细胞表现出延长的线粒体，嵴结构得以保存，融合相关程序增加，氧化代谢增强。相反，营养受限条件与线粒体形态改变和呼吸灵活性降低相关。这些代谢状态与不同的细胞骨架结构相耦合。营养丰富的球体表现出动态F-肌动蛋白重塑、类似间质的转录谱和增加的AKT信号通路，与更具侵袭性的表型一致。相比之下，营养受限的球体维持皮层肌动蛋白强化和黏着斑蛋白积累，与更受约束的结构表型一致。多组学整合支持细胞外基质重塑和机械转导网络的协调调节。

结论

功能上，这些状态揭示了扩展和侵袭之间的营养依赖性解耦。营养受限的球体表现出高效的粘附力和径向扩展，而营养丰富的球体显示出极少的粘附/扩展能力，但表现出增强的侵袭潜力。总体而言，这些发现定义了连接代谢背景与结构可塑性及不同行为程序的、营养依赖性的线粒体-细胞骨架状态，为理解代谢异质性如何影响NSCLC的肿瘤进展和侵袭提供了具有临床意义的框架。

图形摘要

营养可用性协调三维NSCLC球体中线粒体可塑性、细胞骨架组织和EMP样状态。在营养受限条件下（浅绿色面板），球体表现出与线粒体重塑一致的压力适应性反应，其特征为OXPHOS减少和糖酵解依赖增加，并与皮层肌动蛋白强化、ZYX积累以及有利于粘附和扩展的紧凑结构相结合。相比之下，营养丰富条件（浅蓝色面板）与MFN2/OPA1相关的线粒体融合程序、增强的氧化代谢和AKT激活相关，支持动态肌动蛋白重塑、增加的ZYX-肌动蛋白耦联和升高的细胞骨架可塑性。这些状态提示了不同的适应性程序，其中营养可用性整合代谢和结构网络以调节三维NSCLC模型中的迁移和侵袭。示意图使用BioRender.com制作。