《Nature Metabolism》：Mitochondrial metabolism determines chemotherapy sensitivity in colorectal cancer
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治疗耐药每年导致超过80%的癌症死亡，强调亟需克服这一挑战以改善患者预后。尽管5-氟尿嘧啶(5FU)在结直肠癌(CRC)治疗中广泛应用，其耐药机制仍知之甚少。作为一种抗代谢物，5FU施加显著的代谢应激，迫使存活细胞快速适应。研究人员探索了急性5FU驱动的线粒体
治疗耐药每年导致超过80%的癌症死亡，强调亟需克服这一挑战以改善患者预后。尽管5-氟尿嘧啶(5FU)在结直肠癌(CRC)治疗中广泛应用，其耐药机制仍知之甚少。作为一种抗代谢物，5FU施加显著的代谢应激，迫使存活细胞快速适应。研究人员探索了急性5FU驱动的线粒体变化，线粒体是协调代谢应激反应的关键细胞器。研究在一系列CRC模型中证明，5FU处理促进存活细胞的线粒体生物合成并增强线粒体功能。进一步表明，靶向线粒体代谢，特别是抑制复合物Ⅰ(CⅠ)，可使CRC细胞对5FU增敏，在临床前模型中延迟肿瘤生长并延长生存。此外，患者数据分析提示氧化代谢特征可能预测基于5FU化疗的反应。这些发现阐明了5FU耐药的潜在机制，并提出CRC联合治疗的合理策略，强调靶向线粒体代谢以克服耐药和改善预后的临床潜力。
研究背景与立项依据
结直肠癌(CRC)治疗中，5-氟尿嘧啶(5FU)自20世纪50年代起即为氟嘧啶类化疗基石，联合奥沙利铂或伊立替康(FOLFOX/FOLFIRI)可提升生存，但原发与获得性耐药机制未明，限制疗效。5FU通过代谢物掺入DNA(FdUTP)/RNA(FUTP)及抑制胸苷酸合成酶(TS)发挥多效作用，代谢应激下癌细胞迅速重编程 energetics。线粒体作为代谢与凋亡调控枢纽，在抗肿瘤药物应激适应中具可塑性。本研究由Nature Metabolism发表，旨在阐明存活癌细胞经5FU急性应激后线粒体如何介导耐受，并评估靶向线粒体代谢逆转耐药的可行性。
主要技术方法概述
研究整合体外人CRC细胞系(HCT116、SW480、HT29)、鼠源AKP类器官及原位内镜模型、异种移植、患者来源Taxonomy队列(GSE103479，66例辅助5FU化疗Ⅱ/Ⅲ期CRC)；采用CRISPR筛选(GeCKO v1)、RNA-seq、靶向/示踪液相色谱质谱(LC-MS、13C?-葡萄糖)、Seahorse细胞外流量分析、透射电镜、免疫荧光/组化(QuPath定量)、BH3图谱及体内药效/生存实验，从转录、蛋白、代谢、超微结构、体内表型多层级验证。
研究结果
5FU处理改变癌细胞线粒体生物合成与动力学
72小时5FU存活细胞中NAO染色、mtDNA、TOM20/VDAC2及电子传递链(ETC)蛋白升高，电镜示线粒体拉长、融合蛋白OPA1/MFN2上调、DRP1下调，无细胞色素c释放或膜透化，证实非凋亡性、癌细胞特异的线粒体增生与网络重组。
5FU适应改变线粒体活性
CⅠ活性、依赖CⅠ的耗氧率(OCR)、ATP、13C?-葡萄糖进入糖酵解/TCA/还原型谷胱甘肽通量均升；RNA-seq显示代谢基因(280–550个)持续上调，提示急性代谢重编程支撑耐受。
TS抑制经mTOR–PGC1α信号调控线粒体生物合成
敲低TYMS或雷替曲塞(raltitrexed)复现增生；5FU不激活AMPK-ACC，而pS6K/pS6持续升高，Torin1/雷帕霉素阻断增生，表明TS抑制→mTORC1→PGC1α轴驱动生物合成。
氧化代谢特征预测5FU化疗反应
Taxonomy队列中低生存者富集脂肪酸代谢、OxPhos、mTORC信号；单样本GSEA定OxPhos-high组总生存差于low组(HR=3.036)，未化疗亚组无差异，证实OxPhos签名预测5FU获益。
线粒体代谢直接关联5FU敏感性
CRISPR筛选见OxPhos基因富集于敏感因子；5FU预处理降低CⅠ–CⅣ抑制剂IC??；半乳糖培养基或NDI1过表达增强呼吸并致耐药，143B线粒体突变cybrid对5FU更敏，证明功能依赖双向因果。
靶向CⅠ增强5FU反应并延长生存
5FU+IACS-010759或二甲双胍在体外协同致死；体内HCT116异种移植及AKP原位瘤中，5FU+二甲双胍显著抑瘤、提升cleaved caspase-3阳性率、晚期AKP小鼠生存延长(HR=0.333)。
线粒体生物合成仅在有功能时有利
二甲双胍或CⅠ/CⅣ缺陷削弱5FU诱导的增生，证实增生服务于功能需求。
线粒体生物合成促进嘧啶应激消解
5FU持续抑TS、dUMP积集后回落，UMP/UDP/UTP 24h耗竭72h恢复；尿苷补充或敲低UCK2消除增生，雷替曲塞/BAY-2402234(DHODH抑)致同表型且被尿苷挽救，结论：TS抑制→嘧啶匮乏→UCK2耗能回补→需ATP→mTOR-PGC1α线粒体增生。
讨论与结论翻译浓缩
研究人员指出，药物组合靶非重叠通路是克服耐药有效手段，但CRC自FOLFOX/FOLFIRI后未添新伙伴。本研究揭示急性5FU耐受中线粒体可塑性机制：TS抑制引发嘧啶应激，UCK2回补耗ATP，mTOR–PGC1α驱动线粒体生物合成与CⅠ活性提升，支撑存活；该适应构成可靶向弱点。OxPhos签名可作辅助化疗分层标志物。5FU+二甲双胍在化疗 na?ve原位免疫健全GEMM中延寿，提示一线联用潜力。机制上二甲双胍表型可被IACS、苯乙双胍、羧氨基三唑及其他ETC抑剂及CI/IV遗传缺失复现，归因CⅠ抑制而非脱靶。TS抑制剂(培美曲塞/甲氨蝶呤)亦诱发同适应，拓展至肺癌等。结论：线粒体代谢决定5FU敏感性，靶向之可合理化设计CRC联合方案，临床转化试验在研。
