小鼠肿瘤发生前及期间的运动训练维持肌肉质量、减轻肿瘤重量并抑制恶病质的分子介质

《The Journal of Physiology》：Exercise training prior to and during cancer in mice preserves muscle mass, reduces tumour weight and suppresses molecular mediators of cachexia

　　

研究人员通过模拟耐力与阻力（即同步）适应的模型，研究了运动在癌症恶病质（CC）发生前及期间的保护作用。雄性和雌性Balb/c小鼠被随机分配至运动组或对照组，其中运动组接受为期8周的自愿渐进性负重轮跑（PoWeR）计划，该计划为基于习惯性负荷的体力活动，于8周龄时开始。16周龄时，小鼠双侧注射结肠-26腺癌（C26）细胞或磷酸盐缓冲盐水（PBS），并在疾病进展过程中持续进行运动训练。肿瘤诱导后第25天，研究人员评估了全身体型和肌肉表型、肌肉蛋白质合成、预设靶基因表达以及通过RNA测序（RNA-seq）分析的转录组适应。PoWeR训练在几乎所有肌群保留了骨骼肌质量，并维持了无肿瘤的体重及心脏质量。肌肉质量适应与跑步量相关，且相对于对照组的跑步距离并未因肿瘤状态而显著降低。与久坐组相比，约11.5周的PoWeR训练降低了肿瘤负荷，但此效应无法解释肌肉适应。PoWeR诱导腓肠肌发生更快至更慢的肌纤维类型转换，并抑制肿瘤负荷肌肉中的关键蛋白质转换标志物（Redd1、Murf1、Atrogin、Ubc、Gadd45a）以及线粒体自噬相关标志物Bnip3；24小时肌肉蛋白质合成保持稳定。PoWeR抵消了肿瘤诱导的肌肉线粒体和代谢相关转录组损伤。综上所述，癌症前及癌症期间的体力活动可维持肌肉质量、减少肿瘤生长并缓解CC的分子驱动因素，凸显了其作为生活方式干预的预防和治疗潜力。

癌症恶病质（CC）是一种严重的多因素综合征，以患者非意愿性体重和肌肉质量丧失为特征（Argiles et al., 2014），影响高达80%的癌症患者，并导致约40%的癌症相关死亡（Argiles et al., 2014; Fearon et al., 2011）。尽管已提出多种营养或药理学干预策略，但现行治疗方案效果有限，CC患者的治疗与恢复仍存在重大缺口。运动训练作为CC的潜在治疗手段逐渐受到关注（Courneya et al., 2000; Tsitkanou et al., 2022），但须谨慎调整以避免合并症相关禁忌（Argiles et al., 2012）。目前关于早年生活方式或长期体力活动（即运动预处理）在预防或延缓CC中的作用知之甚少，尽管此类策略对改善癌症患者生存率和生活质量至关重要。

临床前运动研究在CC中的异质性使得难以就运动在疾病发生和进展中的效用得出确定性结论。然而，中等强度的联合阻力与耐力运动（同步运动）在对抗CC方面似乎尤为有效（Ranjbar et al., 2019; Tsitkanou et al., 2022; Wolin et al., 2012），这一建议获得美国运动医学学院对癌症患者的认可（Wolin et al., 2012）。一项荟萃分析显示，肿瘤接种后起始的运动（有氧、阻力和同步运动的联合分析）并不能阻止啮齿类动物癌症诱导的肌肉萎缩（Niels et al., 2020）。与此一致，研究人员此前发现，在C26结直肠癌荷瘤小鼠中，与癌症同时开始的短期PoWeR训练3.5周未能减轻癌症相关肌肉损失（Tsitkanou et al., 2025）。但运动训练的适应性反应在CC期间于两性均得以很大程度保留，包括四肢肌纤维类型重塑和两性心脏肥大（Tsitkanou et al., 2025）。与研究发现一致，Collao等（2023）报道，在横纹肌肉瘤诱导及化疗放疗后启动PoWeR，可在保留肌肉质量的同时部分逆转癌症相关的炎症和纤维化转录变化。

与癌症期间运动形成对比的是，症状出现前启动的长期运动（涵盖所有运动类型），模拟积极活跃的生活方式，可降低CC风险并延缓其发作（Niels et al., 2020）。Ranjbar等（2019）报道，5.5周的同步训练（肿瘤植入前4周及植入后1.5周），包括阻力运动（渐进负荷的倾斜梯爬）结合有氧训练（25分钟轮跑，5-9米/分钟），可阻止肿瘤诱导的肌肉消耗和无力，伴随自噬诱导的减弱和肌肉琥珀酸脱氢酶（SDH）活性的恢复。综上所述，这些发现指出运动时机是决定其在CC背景下有效性的关键因素，并凸显了同步运动对抗肌肉消耗和减轻肿瘤进展期间分子失调的潜力。尽管如此，肿瘤进展前及期间高水平体力活动的潜在益处仍有待深入研究。

本研究旨在调查长期运动预处理（肿瘤植入后维持）对CC的预防效果，该设计反映生活方式体力活动。研究结果发表于《The Journal of Physiology》。研究人员利用62只Balb/c小鼠（雄性32只，雌性30只），采用8周自愿渐进性负重轮跑（PoWeR）训练，随后双侧皮下注射C26细胞建立恶病质模型，运动训练持续至疾病终点。主要关键技术方法包括：以胫骨长度标准化的组织重量测量评估表型；采用²H₂O（重水）标记结合气相色谱-质谱联用（GC-MS）测定24小时分数蛋白质合成率（FSR）；免疫组织化学结合MyoVision 2.0图像分析系统进行肌球蛋白重链（MyHC）纤维类型和琥珀酸脱氢酶（SDH）染色分析；TaquMan实时荧光定量PCR检测预设靶基因表达；以及RNA测序（RNA-seq）结合DESeq2进行差异表达基因（DEGs）分析和GO富集分析。

研究结果部分呈现以下发现：

长期PoWeR训练降低肿瘤荷瘤并维持肌肉及无肿瘤体重。肿瘤诱导后约12周，C26 PoWeR组肿瘤重量较C26 SED组降低38%（P=0.0018）。以初始体重或肿瘤植入日体重百分比表示的无肿瘤体重显示，久坐肿瘤组显著低于所有其他组（P<0.0001）。胫骨长度标准化的后肢肌肉重量分析显示，腓肠肌、比目鱼肌、跖肌、胫骨前肌和股四头肌在C26 SED组均显著低于PBS SED组，而PoWeR训练在肿瘤背景下保留了这些肌肉质量。心脏重量呈现肿瘤主效应（P=0.0029）和运动主效应（P=0.0241）。脾脏重量显示肿瘤与PoWeR的强烈交互作用（P<0.0001），C26 SED组脾脏重量显著高于所有其他组。

运动组跑步表现不受肿瘤状态影响，而食物消耗随运动增加。混合设计方差分析显示，PBS PoWeR组和C26 PoWeR组的跑步距离在不同时间点存在差异，但两组间总体跑步距离、肿瘤植入前后跑步距离的曲线下面积（AUC）均无显著差异。食物消耗方面，PoWeR训练呈显著主效应（P<0.0001）。握力标准化至胫骨长度后，肿瘤与PoWeR存在显著交互作用（P=0.049），但事后分析未显示组间差异。

长期PoWeR训练抑制蛋白质降解标志物而不改变蛋白质合成，同时恢复癌症诱导的线粒体自噬失调。24小时分数蛋白质合成率在组间无显著差异。实时荧光定量PCR显示，Redd1呈现肿瘤与PoWeR的显著交互作用（P=0.0292），分解代谢标志物Murf1、Atrogin、Ubc和Gadd45a均显示显著交互作用（P<0.0001-0.01），线粒体自噬标志物Bnip3亦呈显著交互作用（P=0.0007）。所有这些标志物在C26 SED组表达最高。线粒体生物发生因子Pgc1a意外显示显著交互作用（P=0.0235），C26 SED组表达高于PBS SED组（P=0.0064）。

长期PoWeR训练独立于肿瘤状态促进更快向更慢的肌纤维类型转换。腓肠肌平均纤维横截面积（CSA）显示PoWeR主效应（P=0.0484），运动组纤维尺寸小于久坐组。IIX+B型纤维CSA显示肿瘤主效应（P=0.0218），肿瘤小鼠小于对照。PoWeR显著影响纤维类型分布，IIA型纤维比例增加（P<0.0001），IIX+B型纤维比例降低（P=0.0008），表明运动诱导从较大的快缩IIX+B纤维向较小且慢缩的IIA纤维转换。

长期PoWeR训练在肿瘤小鼠中呈现改善肌肉氧化能力的趋势。C26 SED组SDH阳性纤维中浅色、中等和深染比例分别为0.17±0.07、0.61±0.12和0.23±0.09；C26 PoWeR组分别为0.27±0.15、0.77±0.10和0.24±0.09。C26 PoWeR组中等染色纤维比例较C26 SED组呈增加26%的趋势（P=0.060）。

运动组总跑步距离与无肿瘤体重、性腺脂肪和肌肉质量呈负相关。运动小鼠总跑步距离与终点无肿瘤体重（r=-0.4593，P=0.0315）、性腺脂肪（r=-0.5383，P=0.0098）、跖肌（r=-0.4292，P=0.0462）、腓肠肌（r=-0.6189，P=0.0021）和股四头肌（r=-0.4700，P=0.0273）重量呈负相关。

RNA测序揭示PoWeR训练纠正了有害的代谢导向转录反应。主成分分析显示实验条件间清晰区分。PBS PoWeR与PBS SED相比有42个差异表达基因，上调基因包括Myl6b、Erfe和Sbk2，下调基因包括Igf1、Macir和Phka。C26 SED与PBS SED相比有2740个差异表达基因，上调通路涉及细胞质翻译、核糖体等，下调通路主要涉及线粒体调节和氧化生物能量学。C26 PoWeR与C26 SED相比有963个差异表达基因，上调GO功能注释涉及有氧呼吸和线粒体过程，下调通路涉及细胞外基质、分泌颗粒和内吞作用以及巨噬细胞活化调节。C26 SED中最显著下调的10个GO术语即为C26 PoWeR中最显著上调的术语，涉及131个被PoWeR训练"纠正"的基因，包括柠檬酸合酶（Cs）、琥珀酸脱氢酶B亚基（Sdhb）及众多呼吸电子传递链亚基（细胞色素氧化酶Cox-、线粒体核糖体蛋白Mrpl-、NADH：泛醌氧化还原酶Ndufa-/Ndufb-）。

讨论部分指出，运动训练已被提出作为减轻癌症诱导肌肉消耗的治疗手段，同步训练（阻力和耐力运动）似乎是最佳模式。本研究证实，长期PoWeR训练在保留无肿瘤体重和肌肉质量、减少肿瘤负荷、诱导氧化表型纤维转换以及对抗CC有害转录反应方面具有独特优势近两倍的保护效果。这些适应性变化伴随蛋白质降解和线粒体自噬相关基因表达的降低。

研究结论部分翻译如下：总之，我们的研究结果证明，在恶病质发作前启动并持续贯穿癌症进展的长期PoWeR训练，可保护小鼠免受癌症诱导的肌肉和体重损失，保留心脏组织，并独特地减轻C26荷瘤小鼠的肿瘤负荷。这些益处由运动诱导的分子和细胞适应性驱动，包括抑制蛋白质降解通路、促进氧化性纤维类型重塑以及改善线粒体转录组。重要的是，骨骼肌的保留独立于肿瘤生长抑制而发生，表明运动在减缓肿瘤进展潜力之外，对肌肉健康具有独立益处。这些发现强调了同步耐力和阻力运动作为对抗CC的非药物干预措施的预防和治疗潜力。此外，我们的研究结果强调了运动预处理作为其有效性关键决定因素的价值。