肿瘤细胞如何在骨微环境中生存和增殖尚不清楚

骨转移是乳腺癌常见的破坏性并发症，超过70%的患者会发生骨转移。此外，骨龛内的癌细胞可以作为癌症的种子，扩散到其他器官并导致广泛的转移。即使手术成功切除原发肿瘤后，惰性细胞仍可残留并引起骨复发。研究强调了肿瘤细胞与骨微环境(主要由成骨细胞、破骨细胞和血管周围细胞组成)相互作用在骨转移发展中的重要性。因此，骨癌细胞的原位和体内基因谱分析是必不可少的。然而，有限数量的定植肿瘤细胞阻碍了对其转录组谱的理解。单细胞RNA测序技术提供了揭示骨转移过程中定植信号的方法。

LTβ是一种骨诱导因子，可促进肿瘤细胞定植和溶骨生长

在这项研究中，清华大学基础医学院郑撼球团队和青岛大学附属医院岳斌团队使用单细胞转录组学来研究骨转移定殖的分子机制，这是转移级联中的限速步骤。作者发现淋巴毒素-β (LTβ)在骨微环境中的肿瘤细胞中高度表达。LTβ在多种乳腺癌模型中促进肿瘤细胞定植和生长。机制上，肿瘤源性LTβ通过核因子-κB2信号激活成骨细胞，分泌CCL2/5，促进肿瘤细胞粘附成骨细胞，加速破骨细胞形成，导致骨转移进展。在体内，阻断LTβ信号传导可显著抑制骨转移。临床样本分析显示，LTβ在骨转移中的表达明显高于原发肿瘤。作者的研究结果强调LTβ是一种骨诱导因子，可促进肿瘤细胞定植和溶骨生长。相关工作以“Lymphotoxin-β promotes breast cancer bone metastasis colonization and osteolytic outgrowth”为题发表在Nature Cell Biology。

【文章要点】

一、骨转移细胞的单细胞转录组分析

作者利用单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术研究骨转移过程。相比原发灶和体外培养细胞，骨转移细胞显著上调了趋化、粘附、外渗和血管生成等基因，表明肿瘤-微环境相互作用在骨转移中的关键作用。细胞拟时序分析还揭示了肿瘤细胞从早期到晚期骨转移的演化过程。此外，具有较高骨转移能力的4T1.2细胞在早期结肠阶段表现出更强的增殖相关基因富集。综合分析突出了上皮间质转化等关键生物学过程在驱动骨转移进程中的重要作用。总的来说，该研究通过单细胞转录组分析深入探讨了肿瘤骨转移的分子机制。

图1 骨转移细胞的单细胞转录组分析

二、LTβ促进骨转移进展

作者利用cDNA文库筛选确定了骨定植和转移进展的候选基因（LTβ和ADFRF5）。通过验证实验，作者深入探讨了LTβ和ADGRF5在肿瘤骨转移中的作用。结果显示，过表达LTβ能显著增加骨转移负荷和骨溶解，而ADGRF5过表达无影响。敲低LTB可降低骨转移负荷和延长生存期，并保护骨骼免受破坏。相比之下，ADGRF5敲低也能一定程度上保护骨骼，但效果较弱。进一步研究发现，LTβ的过表达或敲低不影响原发肿瘤生长，但可分别增加或降低骨转移发生，而对肺转移无影响。综上所述，LTβ在促进肿瘤骨转移中起关键作用，为进一步理解骨转移分子机制和靶向治疗提供了重要依据。

图2 LTβ是促进骨转移的首选候选基因

三、LTβ能重新激活骨骼中的惰性癌细胞

作者进一步探讨了LTβ在激活潜在性骨转移细胞中的作用。使用PD2R细胞(一种衍生自MDA-MB-231的潜在性骨转移细胞株)发现，与活跃骨转移细胞SCP28相比，PD2R细胞在骨髓中不具有增殖能力。过表达LTβ后，PD2R细胞在免疫缺陷小鼠中迅速发生了骨转移，出现严重的骨破坏和成骨细胞增加。在另外两种潜在性骨转移细胞株MCF7和PyMT-A中，LTβ过表达也显著降低了骨转移无进展生存期，增加了骨转移负荷和骨溶解。Ki-67染色结果显示，LTβ过表达激活了这些潜在性骨转移细胞在骨髓中的增殖能力。综上所述，该研究通过多种细胞模型验证了LTβ是一个强有力的骨转移促进因子，它能够激活原本具有低骨转移能力的肿瘤细胞，启动骨转移进程。

图3 LTβ能重新激活骨骼中的惰性癌细胞

四、LTβ促进骨定植和骨降解

作者进一步探讨了LTβ在促进肿瘤细胞骨定植和骨溶解过程中的作用机制。体外细胞粘附实验表明，LTβ过表达显著增强了肿瘤细胞SCP28和PD2R对骨细胞MC3T3的粘附，而这种粘附可被LTβR-Ig阻断。体内实验发现，LTβ过表达的SCP28细胞能更好地定植于骨骼附近的骨细胞。LTβ能诱导骨细胞分泌CCL2和CCL5等化学因子，促进巨噬细胞趋化和成骨细胞分化。体外成骨细胞分化实验证实，CCLs能显著增强成骨细胞的分化。采用CRISPR-Cas9敲除巨噬细胞上的CCR2和CCR5受体，结果表明这可抑制LTβ诱导的骨转移和骨溶解。在小鼠模型中，使用重组LTβR-Ig阻断LTβ信号，结果显示这能明显降低骨转移负荷，延长骨转移无进展生存期，并保护骨骼免受破坏。综上所述，该研究揭示了LTβ通过调节CCL-CCR信号通路，促进肿瘤细胞粘附骨细胞并诱导骨溶解，从而驱动骨转移进程

图4 LTβ和CCL2/5通过增强癌细胞-成骨细胞粘附和破骨细胞分化促进骨转移

【结论与展望】

在此，作者发现LTβ可促进乳腺癌骨定植和最终的溶骨生长。LTβ是一个有前途的治疗靶点，它在骨转移的各个阶段起着至关重要的作用。与原发性肿瘤相比，它在人类骨转移样本中显著过表达。作者使用LTβR-Ig抑制LTβ信号传导可显著降低骨转移进展，这些发现支持了LTβ作为骨转移靶点的持续探索。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41556-024-01478-9

Tags： 清华大学郑撼球/青岛大学附属医院岳斌合作，最新Nature Cell Biology！