我们对癌症转移策略的认知，又要刷新了。
近日，美国贝勒医学院Xiang H.-F. Zhang教授团队在《细胞》杂志上发表了一项研究研究成果[1]。
他们发现：骨微环境可以通过影响肿瘤细胞的表观遗传特性重塑其转移特性，从而影响这些肿瘤细胞向其他器官的继发性转移。他们发表的论文还指出，干预肿瘤细胞的表观遗传调控可有效抑制骨微环境介导的继发性转移。
这个研究揭开了肿瘤转移在之前研究中鲜为人知的一面，为我们对肿瘤转移的理解带来了全新的视角。
▲论文首页截图
骨是乳腺癌和前列腺癌中最常见的转移目的地[2]。在众多器官的转移中，骨转移非常特殊，长期以来肿瘤领域对骨转移的理解也颇有争议。
一方面，与发生其他脏器转移的癌症患者相比，仅发生骨转移的患者具有更好的预后情况[3,4]；而另一方面，在转移性乳腺癌病例中，高达45%的患者首个转移灶出现在骨骼，且其发生频率远远高于肺（19％）、肝（5％）和脑（2％）。
值得注意的是，在超过三分之二的病例中，转移不仅限于骨骼，而是随后发生在其他器官并最终导致患者死亡[3-5]。
基于这些临床事实，作者猜想，乳腺癌的早期骨转移可能暗藏玄机，可助推肿瘤细胞的再次大规模全身转移。
但骨转移研究最难的就是缺乏研究“武器”——小鼠模型。
研究者迎难而上，直接建立了以下几种小鼠模型：（1）早期骨转移模型：股动脉注射肿瘤细胞（IIA）或直接接种肿瘤细胞于骨内(IF)；（2）早期肺转移模型：股静脉注射肿瘤细胞（IIV）；（3）乳腺癌原位模型：接种肿瘤细胞于脂肪垫（MFP）。
对比分析乳腺癌细胞在以上三种模型中的转移能力发现，相比于其他两种模型，IIA/IF所形成的骨转移小鼠中具有明显更多的全身器官转移。尤其令人震惊的是，IIA/IF骨转移模型后期在肺部形成的肿瘤负荷居然高出IIV肺转移模型10倍之多。
这些结果说明，早期定植于骨的肿瘤细胞明显拥有更强的二次转移能力。基于此，作者推测骨微环境可以增强肿瘤细胞的转移能力。
▲乳腺癌细胞在三种小鼠模型中（IIA/IF, MFP, IIV）的转移能力
但是IIA注射可能会损伤骨髓并刺激全身，这也会导致肿瘤多器官转移。
为了客观地分析这个问题，研究者还使用了小鼠共生体实验进行了相应探索。研究者将两只小鼠的循环系统连通形成共生体系统[6]，对其中一只小鼠通过IIA注射肿瘤细胞（IIA供体小鼠），另一只小鼠不做处理（IIA受体小鼠）。
同时，作为对比，另一组共生系统的供体为荷有乳腺原位肿瘤的小鼠（MFP供体小鼠），另一只也为不做处理的MFP受体小鼠。荷瘤的供体小鼠与无肿瘤的受体小鼠连接7周之后，通过手术将供体受体小鼠分离。饲养4个月后，分析受体小鼠的全身器官转移情况。
结果发现，IIA组约有20%的受体小鼠中均发现了不同程度的脏器转移，而MFP组所有受体小鼠中均没有检测到转移的肿瘤细胞。
这个实验结果说明了骨微环境促进的肿瘤二次转移不是IIA注射导致的骨损伤带来的全身性影响。
▲用于比较骨和乳腺肿瘤转移能力的共生小鼠模型
那么，这种骨转移介导的肿瘤二次转移，能在原位癌模型中也能自发性地产生吗？
研究者利用了演化型条形码技术用来追踪小鼠体内肿瘤细胞的转移情况。
条形码技术是一种基于CRISPR/Cas9系统发展而来的技术[7,8]。Cas9蛋白的表达可以随机突变细胞中的guide RNA的序列，随机突变后的guide RNA称为hgRNA。hgRNA序列的混乱度可计算香农熵进行分析。根据不同细胞群体的香农熵值，可以判断不同细胞群体间的亲子代关系。
也就是说基于hgRNA的条形码追踪技术可以分析不同器官形成转移灶的先后顺序和来源。
一般来说，由于子代转移的肿瘤只是一部分亲代肿瘤细胞定植新的器官后生长扩张的结果，因此，相比子代转移细胞群体中的香农熵会发生下降。并且这个规律作者通过上述IIA模型进行了相应验证。
在本文中，研究者建立了带有条形码系统的MDA-MB-231和AT-3模型细胞，并把两种模型细胞分别移植到了裸鼠和C57BL/6小鼠的脂肪垫构建了小鼠原位模型。当原位肿瘤长至1cm³大小时，开始诱导肿瘤细胞内Cas9蛋白表达。
▲体内条形码实验设计示意图
待肿瘤转移完成后，研究者通过测序分析了小鼠中各器官转移灶的条形码信息，得出了以下结论：（1）同一器官中的转移灶并非来自于相同的亲代肿瘤，然而早期各器官中的转移灶却来自于相同的亲代克隆；（2）大部分转移灶含有多个独立克隆；（3）在小鼠乳腺原位癌的自发转移过程中，均有发现由骨转移灶到其他器官的再次转移；（4）转移灶形成时长与其大小无相关性。研究者发现，一些高香农熵的转移灶肿瘤负荷却非常小。
结合之前的研究结果，这些发现共同证明了，由骨转移灶到其他器官的再次转移在乳腺癌中可自发性产生。骨微环境与肿瘤细胞的相互作用对增强后期肿瘤细胞的转移能力至关重要。
▲小鼠多器官转移灶的香农熵分析
那为什么骨微环境可以增强肿瘤细胞的转移能力呢？
在同期的另一篇文章中，该研究团队报道了骨微环境可通过调节组蛋白甲基转移酶EZH2的活性，重塑ER+乳腺癌细胞使其失去luminal特征而获得干性特征[9]，这是一种有利于肿瘤细胞转移的表型。
基于此，作者想进一步猜想，骨微环境赋予肿瘤细胞的增强的肿瘤转移能力，很可能是在一定程度上是通过影响肿瘤细胞表观遗传调控的去分化过程来实现的。
为了验证这个猜想，他们把低转移性的SCP21细胞（源于MDA-MB-231的克隆）分别移植到小鼠脂肪垫、肺、后肢骨骼来构建体内相应器官的微环境培养模型。6周后重新从体内分离出这些在不同微环境中生长过的肿瘤细胞，经过实验分析发现，与乳腺（脂肪垫）和肺相比，骨中分离出的细胞有更强的多器官转移能力，并伴随着高表达的干性标志物（ALDH1和CD44蛋白）以及EMT相关蛋白。
这就说明与乳腺微环境和肺部微环境相比，骨微环境可上调乳腺癌细胞的干性特征，进而赋予这些细胞更强的转移能力。
▲骨微环境改造癌细胞机制图
此外，研究者人员还发现了，相比于荷有原位肿瘤的模型小鼠，骨转移模型小鼠中可检测到明显更多的循环肿瘤细胞（CTCs），并且这些CTCs同样拥有更高表达的干性标志物。
对乳腺癌患者的CTCs进行单细胞测序分析后，同样发现来自于骨转移患者的CTCs中CD44的表达量远远高于其他患者。这些发现进一步证实了骨微环境可提高肿瘤细胞的干性进而增强它们的转移能力。
由于作者已在同期另一篇文章[9]中阐明了EZH2对乳腺癌细胞的干性的调控发挥着重要作用。最后，作者进一步证明EZH2在骨微环境介导的肿瘤继发性转移中发挥着重要作用。
体外实验发现，EZH2抑制剂EPZ的处理的确可以显著下调骨微环境中肿瘤细胞的干性和间充质标志物。在小鼠模型中，EZH2抑制剂EPZ的预处理或EZH2的诱导敲低，均可有效抑制肿瘤细胞骨转移后的继发性多器官转移，而不影响肿瘤细胞的增殖。
这些发现表明，EZH2可作为一个潜在靶点，用来抑制或预防骨微环境介导的肿瘤继发性转移。
▲EZH2的敲低对肿瘤细胞转移能力的影响
总而言之，在此文章中，研究者们利用复杂精巧的动物模型和逻辑严密的实验设计，为我们理解早期癌症转移以及骨微环境提供了全新的视野。
在肿瘤细胞转移的漫漫征程中，骨微环境是途中的一个“中转加油站”，为其蓄力，然后火力全开加速上路。而EZH2则是“油”中的主要燃料，抑制EZH2后，“中转加油站”即形同虚设，肿瘤细胞有心无力，难以再次转移。
在临床中，如果可以通过干预手段破环骨微环境赋予肿瘤细胞的转移驱动力，将有望预防后期的全身性转移，能让肿瘤控制在相对易于治疗的范围之内，使得更多患者获得生的希望。
奇点招人啦
Everybody Hi~！
我们需要新鲜血液，为奇点注入新的能量。
来吧，成为奇点糕，和我们一起整新活儿！
以上就是我们目前正在寻找的小伙伴~
如果你想和奇点糕们一起创作、创新，来加入我们。
我们在奇点等你。
参考文献：
[1] Zhang W, Bado IL, Hu J, et al. The bone microenvironment invigorates metastatic seeds for further dissemination [published online ahead of print, 2021 Apr 10]. Cell. 2021;S0092-8674(21)00296-8. doi:10.1016/j.cell.2021.03.011
[2] Kennecke H, Yerushalmi R, Woods R, et al. Metastatic behavior of breast cancer subtypes. J Clin Oncol. 2010;28(20):3271-3277. doi:10.1200/JCO.2009.25.9820
[3] Coleman RE, Smith P, Rubens RD. Clinical course and prognostic factors following bone recurrence from breast cancer. Br J Cancer. 1998;77(2):336-340. doi:10.1038/bjc.1998.52
[4] Coleman RE, Rubens RD. The clinical course of bone metastases from breast cancer. Br J Cancer. 1987;55(1):61-66. doi:10.1038/bjc.1987.13
[5] Coleman RE. Clinical features of metastatic bone disease and risk of skeletal morbidity. Clin Cancer Res. 2006;12(20 Pt 2):6243s-6249s. doi:10.1158/1078-0432.CCR-06-0931
[6] https://www.jove.com/cn/t/50556/parabiosis-in-mice-a-detailed-protocol
[7] Kalhor R, Mali P, Church GM. Rapidly evolving homing CRISPR barcodes. Nat Methods. 2017;14(2):195-200. doi:10.1038/nmeth.4108
[8] Kalhor R, Kalhor K, Mejia L, et al. Developmental barcoding of whole mouse via homing CRISPR. Science. 2018;361(6405):eaat9804. doi:10.1126/science.aat9804
[9] Bado IL, Zhang W, Hu J, et al. The bone microenvironment increases phenotypic plasticity of ER+ breast cancer cells. Dev Cell. 2021;56(8):1100-1117.e9. doi:10.1016/j.devcel.2021.03.008
本文作者丨柠檬
责任编辑丨BioTalker