肿瘤的远端转移指癌症从原发肿瘤扩散至远处器官或远处淋巴结等。不同类型的原发瘤在转移路径、目标器官、生长时程和药物反应上存在差异，这使得系统性寻找肿瘤转移过程中的薄弱环节和有效药物靶点面临巨大挑战。
肿瘤转移是肿瘤致死的主要因素之一，而传统的治疗手段，包括化疗、放疗和手术切除等仅能实现对原位肿瘤的控制，对于肿瘤转移无能为力，甚至在一定程度上会诱导免疫抑制和炎症反应，增加肿瘤转移的几率。
基于此，西湖大学/西湖实验室邹贻龙课题组和王曦课题组从卵巢癌入手，探索其转移机制，为抗肿瘤转移的治疗提供了潜在的药物靶点。相关文章以题为“ACSL4 and polyunsaturated lipids support metastatic extravasation and colonization”发表在 Cell 期刊。
“相关性分析的结果发现，在卵巢癌、肝癌和头颈部癌等癌症中，肿瘤细胞的转移能力与铁死亡易感性密切相关。其中，卵巢癌的转移发生概率最高，临床上 70% 的患者在诊断时已存在不同程度的转移；此外，临床转移瘤样品的获取一直是转移相关基础研究的难点，而卵巢癌在切除原发瘤的同时往往可以同时收集到配对的腹水甚至腹腔脏器的转移瘤样本，这一优势大大提高了转移基础研究的临床相关性。”王煜棋告诉生辉，她目前是西湖实验室助理研究员，从博士后期间开始一直跟随邹贻龙博士系统性地探索肿瘤转移与代谢之间的关系。
图 | 王煜棋
首创卵巢癌腹腔和血运转移动物模型
除了高频的原发瘤发生率外，卵巢癌至少可以通过三种不同的路径实现对远端器官和组织的侵袭：腹水转移、血运转移和淋巴转移。目前，针对卵巢癌转移的研究大部分聚焦于腹腔内部的转移，针对那些转移至腹腔外重要脏器的研究成果甚少；而远端器官转移对患者的生存危害极大，治疗难度也最高。
图 | 临床上卵巢癌患者中肿瘤实现远端转移的三种主要扩散路径
首先，为了探索具有高转移能力的癌细胞的特点，邹贻龙团队与王曦课题组合作，利用大数据发现转移能力强的肿瘤细胞可能对铁死亡诱导剂更敏感，如 GPX4 抑制剂 ML210、RSL3、ML162 和 SLC7A11 抑制剂 Erastin 等。王曦于 2021年加入西湖大学，担任西湖基因组学与生物信息学核心实验室负责人，在肿瘤基因组学与生物信息学大数据方面有着深厚的经验和研究基础。
铁死亡是一种铁依赖的非凋亡形式的细胞死亡方式，其主要特征是脂质过氧化物和活性氧过量积累。
因此，团队趁热打铁，研究了原发瘤细胞以及转移瘤细胞的脂质水平变化。“脂质组学分析的结果显示，来自于转移瘤的肿瘤细胞含有更高水平的多不饱和脂质。”
为了系统性地揭示脂质组成和代谢因素在卵巢癌转移过程中的调控作用。团队着手构建卵巢癌转移模型。此前，大多数研究已经建立了用于模拟卵巢癌腹腔转移的成熟模型，但鲜有研究关注血运转移这一途径。
“我们尝试通过将多个不同细胞系移植到小鼠体内，观察哪个细胞系可以同时发生腹腔转移和血运转移。”
然而，卵巢癌的细胞系有多种，建立卵巢癌转移模型，而此前发表的人类癌细胞转移图谱提示源自卵巢癌透明细胞癌的 ES-2 细胞在多种器官中的转移能力都非常强。于是，团队锁定了卵巢癌细胞系 ES-2，并发现腹腔移植ES-2 细胞后，同时实现了卵巢癌细胞的肺部和肝脏的转移。
为了得到更可靠的结果，团队对 ES-2 进行了多轮体内筛选，以富集和遴选具有更强的多路径转移潜能的癌细胞克隆。最终，获得了具有极强转移能力的亚细胞系 ES-2-MC2-Lung 和 ES-2-MC2-Hep。
“在后续的筛选过程中，我们发现，ES-2-MC2-Lung 仅能通过尾部静脉注射转移到肺部，ES-2-MC2-Hep 则可以通过腹腔注射后高效生长，并同时发生肺部和肝脏的转移。”
图 | (A) 示意图总结了 ES-2 远端转移衍生细胞系的体内迭代筛选过程，以及衍生的 ES-2-MC2-Hep 细胞系肝脏和肺脏转移的代表性 BLI 图像。(B) 示意图总结了通过腹腔注射 ES-2-MC2-Hep 细胞所建立的卵巢癌腹腔转移和血运转移过程。(C) 示意图展示了使用靶向代谢酶的 sgRNA 文库进行体内 CRISPR 筛选以鉴定 ES-2-MC2-Hep 转移模型中远端转移调控因子的过程
可以说，这项工作也开创了卵巢癌研究中首个能同时模拟腹腔和血运转移的动物模型，为后续相关研究提供了有力工具。
基于 ES-2-MC2-Hep 在腹腔内高效生长及远端多脏器转移的能力，研究人员利用靶向代谢酶的 CRISPR sgRNA 文库进行了系统性的体内遗传筛选，定义了多个可能介导不同器官转移的代谢酶基因，如 NMNAT1、ACSL4 等。
其中，NMNAT1是卵巢癌肝脏和肺脏转移的依赖性基因，在卵巢癌腹腔转移和血运转移中具有重要作用；ACSL4 是肺特异性转移中的关键基因。
ACSL4 与 ECH1 是影响卵巢癌转移的关键因子
ACSL4 是编码调控铁死亡及不饱和脂肪酸代谢的酶，其特异性催化多不饱和脂肪酸转化为脂酰辅酶 A，参与多不饱和磷脂的合成及脂肪酸的氧化，支持细胞的高膜流动性和生物能量供应。近年来，ACSL4 因为其在调节细胞对化合物诱导的铁死亡敏感性中的显著作用而受到广泛关注。
巧合的是，铁死亡与脂质代谢正好是邹贻龙所关注的方向，ACSL4 是其实验室常打交道的一种酶。
“在对 ACSL4 进行体内功能验证的过程中，我们发现敲除 ACSL4 对肺转移的抑制效果在几次实验中存在程度上的差异。于是我们对实验过程进行了复盘，发现时间节点的不同可能是 ACSL4 作用程度不同的一个因素。于是重新设计实验方案，将实验分为早期和晚期两个时间段分别进行，最终发现 ACSL4 主要抑制了肿瘤细胞早期转移的过程。”
进一步将研究聚焦到肿瘤转移早期的过程，研究人员发现 ACSL4 显著增强了卵巢癌细胞的膜流动性和迁移能力，促进癌细胞的血管外渗，帮助肿瘤细胞在肺实质中更好地定植。“血运转移是大部分癌症远端转移的必经路径，研究 ACSL4 在血运转移过程中的作用机制，对肿瘤转移研究的贡献可能不局限于卵巢癌，在其他癌症转移过程中或具有功能普适性。”王煜棋说道。
尽管 ACSL4 的敲除会抑制肿瘤细胞转移过程中的血管外渗步骤，但研究人员注意到，由于实验所用的转移模型的高度侵袭性，抑制 ACSL4 最终仍然很难彻底控制肿瘤细胞的整体转移负担。
为了确定影响卵巢癌转移后生长阶段的关键基因，研究人员重新分析了体内 CRISPR 功能性遗传筛选的数据，锁定了了由 ECI1 和 ECH1 等基因介导的不饱和脂肪酸 β-氧化通路。最后经由实验验证，这条脂质代谢通路在调控肿瘤体内增殖和生长过程中发挥着重要作用。
鉴于不饱和脂肪酸代谢在肿瘤细胞体内转移血管外渗和体内生长过程中的双重作用，研究人员在多种肿瘤转移模型中联合敲除了 ACSL4 和 ECH1 的表达，同时抑制了肿瘤细胞在远端器官的定植和生长，成功控制了肿瘤细胞整体的血运转移负担。
也就是说，研究人员证实了 ACSL4 和 ECH1 是影响卵巢癌转移的关键因子，定义了不饱和脂质在肿瘤转移过程中的双重作用。
图 | (A) 示意图展示了不饱和脂肪酸代谢在肿瘤转移外渗和定植过程中可能的双重作用。(B) 蛋白免疫印迹显示了表达所示 sgRNA 的 ES-2-MC2-Hep 细胞中 ACSL4 和 ECH1 的蛋白表达水平。(C-D) 尾静脉移植所示细胞系后小鼠肺部BLI成像分析的代表性伪彩图和相对光子数的定量分析。(E-F) 尾静脉移植所示细胞系后小鼠肺部代表性图片和肺部 BLI 成像相对光子数的定量分析。(G) 示意图展示了不饱和脂肪酸代谢在肿瘤转移外渗和定植过程中的双重作用。
下一步，研究人员计划进一步验证筛选得到的其他靶标基因，以揭示更多肿瘤转移过程中的关键因素。同时，研究团队计划针对文章中提到的多个潜在靶点开发相关抑制剂，目标是将基础研究结果转化为实际的临床应用！
参考链接：
1.https://www.cancer.gov/types/metastatic-cancer
2.Jin, X., Demere, Z., Nair, K. et al. A metastasis map of human cancer cell lines. Nature 588, 331–336 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2969-2
3.https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)01270-4
