关
注
我
们
脑转移对于乳腺癌HER2阳性病人[1]来说相当棘手，并且脑部微环境会造成一定的治疗抗性。营养壁龛会随着组织环境的变化而产生巨大的不同，因此对脑转移乳腺癌生长来说，代谢适应性则有望作为靶点来进行治疗。年4月1日NatureCancer在线发表了RakeshK.Jain和MatthewG.VanderHeiden两个研究小组合作的一篇题为Fattyacidsynthesisisrequiredforbreastcancerbrainmetastasis的文章。这篇文章主要评估了乳腺癌在脑区和颅外区代谢具有不一样的模式，并且最终发现脂肪酸合成对于在脑转移乳腺癌中的表达是上升的。随后，作者等人推断这一表型的产生是因为在脑微环境中脂质的获取相比于其他组织更加匮乏，从而导致乳腺癌在这个位点的生长形成脂肪酸合成的位点特异性依赖。更重要的是，对脂肪酸合成酶从基因层面或药物层面进行抑制都能够减缓HER2阳性的乳腺癌细胞在脑区的生长，进而说明在不同转移位点营养获取的特异性有望作为一种可靶向的代谢依赖策略。
首先，为了更好的理解环境的差异可能会如何引起不同肿瘤位点的乳腺癌生长，作者首先想知道脑转移和原发部位HER2+乳腺癌细胞是否存在差异。因此，他们利用原位移植小鼠模型来模拟临床乳腺癌脑转移的特征，包括那些在原发部位能有效控制肿瘤的药物耐药性。接着，分析了起源于人BT乳腺癌细胞的总体肿瘤组织中的代谢物水平，利用基于测量的代谢物将肿瘤无监督聚类，同时发现在脑和MFP中相对代谢物存在许多差异。这些数据表明在每个位点发生的肿瘤在代谢上都存在整体上的差异，即便这些部位都起源于相同的癌细胞。
为了进一步研究原发部位和脑转移部位代谢差异，作者接下来查询了一个公共数据库中BT在不同肿瘤组织部位的基因表达差异，他们在基因表达上同样观察到许多变化，并通过GSEA也发现代谢过程中的诸多不同，尤其是参与脑脂代谢贡献于肿瘤生长的数据集呈现较大的富集。为了验证这些不同在代谢酶表达的变化，作者研究了参与脂肪酸合成多酶的表达水平在MFP和脑中的差异。结果表明，相对于MFP肿瘤位点中，脑肿瘤组织拥有更高水平的FASN和SCD1酶（这两个酶都参与脂肪酸合成）。旨在从功能上揭示不同转移位点乳腺癌代谢的机制，作者紧接着通过同位素标记葡萄糖示踪来研究MFP和脑中的代谢。他们通过同位素标记碳13葡萄糖，将其灌输到正常的荷瘤小鼠中超过12小时，发现碳13标记在脑和MFP中都出现了。但是，许多TCA循环中间代谢产物和相关的氨基酸碳13标记程度在脑肿瘤BT和MFP中存在差异，相比于正常组织也存在差异，这更进一步支持了乳腺癌代谢跟正常组织不同并且受转移位点的影响。值得一提的是，碳13标记也在正常组织中观察到，这与葡萄糖对于这些组织中是一级氧化燃料的理论相符。
接下来，作者分析了碳13标记的葡萄糖插入皂化棕榈酸在脑转移和MFP中的情况。为了贡献脂肪酸合成，葡萄糖首先通过TCA循环转化为二碳单位乙酰辅酶A，进而作为底物被脂肪酸合成酶利用。BT肿瘤在脑内和颅外都显示出比正常组织更高水平的棕榈酸标记，而相对于MFP肿瘤来说则显示出更多的葡萄糖转化成棕榈酸。为了更进一步研究在脑转移肿瘤中脂肪酸合成增加的可能性，作者通过IMS来特异地评估碳13从葡萄糖插入到脂类的情况。结果表明，碳13标记的棕榈酸相比于老鼠中没有标记的分布较低。而为了评估葡萄糖贡献于脑肿瘤脂质的情况，荷瘤小鼠通过每天提供碳13标记的葡萄糖一共四天然后用IMS检测碳13插入到脂肪酸中的情况。作者观察到脑组织中相比于正常脑组织碳13标记的棕榈酸，油酸盐、硬脂酸盐、棕榈酸酸酯和L-α溶血磷脂酰肌醇水平更高。这些数据说明新合成的脂肪酸出现在肿瘤组织中并且被插入到脑转移乳腺癌细胞中的许多脂类代谢物。作者等人利用组织型切片培养技术，发现相对于MFP部位的肿瘤，脑转移BT和MDAMB肿瘤中碳13-葡萄糖标记的棕榈酸水平都有所上升。因此，总的来说，在体内以及组织型切片培养两个层面测量的棕榈酸的碳13标记都有所增强，与之同步升高表达的还有脑转移乳腺癌的脂质合成酶，表明脑微环境有可能会促进乳腺癌脂肪酸合成的增加。
为了更进一步评价脑转移肿瘤增加的脂质合成在离开脑微环境之后是否还能维持，作者分离出BT来源的脑瘤组织然后在体外培养10天。结果发现在FASN蛋白表达以及标记插入等方面体外培养的细胞相对于父代的BT肿瘤没有差异，从而揭示了这些脑转移乳腺癌细胞系增加了脂肪酸合成来达到脑组织微环境的代谢适应过程[3]。因此，接下来为了探索观察到的脂肪酸合成增加这一现象是否能够在人乳腺癌细胞中重现，作者他们分析了一个公开的RNA-seq数据库，发现FASN的转录水平在脑转移中比原位组织中更高。接下来，作者想知道这个现象是否具有HER2阳性病人所特有的现象，他们继续使用这个数据库发现大多数HER阳性或者三阴乳腺癌患者中FASN的mRNA表达水平更高（脑转移vs原发部位）。接下来为了更进一步评价FASN的蛋白水平在乳腺癌患者中的情况，他们分析了一个单独的原发部位与正常组织配对的乳腺癌脑转移患者队列。他们发现FASN除了在所有脑转移样本中表达外，在一些原发部位也表达，并且这种表达不区分乳腺癌亚型。再接下来，为了评估FASN在脑转移中的表达相较于颅外转移位点的表达情况，作者他们查询了一个包含有转移乳腺癌的转录数据库，从而调查脑转移和非配对颅外转移的情况。他们发现FASN的转录水平在脑转移中显著高于肺转移和骨转移，而在肝转移中与脑转移没有统计学的差异，但是SCD1的转录水平却显著富集在脑转移中，这是其他转移不曾具有的。总的来说，这些数据表明FASN的表达是一个通用的乳腺癌脑转移的特征。
接着，作者想知道是否因为脑微环境中脂质缺乏从而导致FASN表达以及葡萄糖代谢的脂肪酸碳13标记，他们通过抽取脑脊液和细胞质以此来定量脂类的相对表达丰度。虽然脑脊液组成的不同会影响质谱测量的相对代谢物，但是脑脊液中脂类的水平显著低于细胞质中的，这与临床实验室测量的人类数据一致。为了更进一步评估脑相对于原发组织位点肿瘤细胞的胞外脂质，作者分别分离了无瘤老鼠以及MFP组织的胞外液并再一次通过质谱测量了脂质丰度，结果发现大多数脂类在MFP中具有较高的丰度，其中包括三酰基甘油（TAGs）。与此同时，TAGs水平在正常脑组织中测出的水平也是明显低于MFP中的水平。
为了测试脂肪酸合成在不同环境以及组织中的必要性，作者等人接下来利用CRISPR-Cas9基因编辑技术来干扰FASN在BT和MDAMB细胞中的表达。在BT和MDAMB的FASN敲除细胞中FASN表达都有所降低，接着作者通过葡萄糖标记的棕榈酸减少更进一步证实了FASN表达水平的降低会削弱脂肪酸的合成。同时，来源于皂化脂肪的棕榈酸总量在sgFASN细胞中也有所降低，并且在去脂培养基中培养时甚至被消除了。另外，sgFASN细胞的增殖也受到抑制，特别是在去脂培养基中。总的来说，这些数据证实了FASN的表达对于脂质合成十分必要并且能够维持棕榈酸水平，特别是当外源脂质无法获取的时候。
为了测试脂肪酸合成对于乳腺癌在不同位点的生长是否有影响，作者等人通过将control和sgFASN的细胞植入到小鼠脑和MFP中，然后分别通过超声和卡尺测量肿瘤随着时间的生长情况。尽管在MFP中对照组和实验组的差别不大，但是肿瘤在脑中的生长明显受到抑制。FASN表达的扰乱也能够改善脑荷瘤小鼠的生存期。作者也通过CRISPRi靶向了FASN并且再一次发现FASN表达水平的降低会提高脑区荷瘤小鼠的生存期。总的来说，这些发现表明乳腺癌在脑区的生长存在一定程度的依赖。
为了更进一步研究脂肪酸合成对于乳腺癌脑转移是一个位点特异性代谢过程，作者等人考虑了BT细胞在肝脏的生长是否依赖FASN。他们首先调查了这些位点脂质的存在并且发现大多数贮存脂质在肝脏细胞外以及组织的水平比脑区中对应的部位要高。然后作者发现FASN的表达水平在肝脏和脑中是差不多一致的，这跟临床样本的数据相符。接着，作者等人进一步评估了碳13标记的葡萄糖在BT肺肿瘤中的命运并观察到葡萄糖主要汇向相对于BT脑转移肿瘤减少的棕榈酸。最后，作者还评估了脂质合成是否对于肺肿瘤的生长是重要的，然而结果发现sgFASN的肺肿瘤跟对照组没有差别。这些数据与乳腺癌脑转移脂质从头合成的现象相符合，但值得注意的是，乳腺癌脑转移却不会和其他颅外位点共享这个过程，表明脂质合成对于乳腺癌脑转移存在一定的位点特异性代谢偏好。
为了更进一步评估这些发现的治疗潜能，作者接下来使用脑肿瘤组织型切片培养技术来测试外源脂质的获得是否会影响脂肪酸合成抑制剂对其的响应。TVB是一个选择性的FASN抑制剂，目前作为一个小分子药物正用于治疗转移性乳腺癌的临床试验（NCT）。作者等人证实了TVB能够有效地抑制脂肪酸合成以及棕榈酸水平。有意思的是，在给药的前提下，如果将BT组织型切片培养在去脂的培养基里面时，肿瘤细胞会大面积死亡；但是将其置于一个富含脂质的环境中，其对TVB表现出强烈的耐药性。这些数据支持了环境脂质的缺乏能够促进乳腺癌在脑微环境中对脂肪酸合成的依赖。为了更进一步探索FASN抑制剂在控制乳腺癌脑转移方面是否有效，作者等人评估了一种可以通过血脑屏障的FASN抑制剂（BI）是否影响乳腺癌生长。结果证实，BI的确能够抑制脂肪酸合成并且降低棕榈酸的水平。因此接下来他们在体内研究了BI对BT肿瘤生长的作用。研究发现，BI处理的剂量不会影响体重的丢失但是会特异性的减弱脑中乳腺癌的生长而不影响MFP中的生长。这些数据暗中揭示脂肪酸合成抑制有可能是一个极具潜力的治疗乳腺癌脑转移的靶点。
讨
论
虽然大脑是一个富含脂质的组织，但是专一化脂质却和其他位点的贮存脂质不同。从已经存在的脑部脂质中补救脂肪酸可能是一个备择措施来增加某些乳腺癌的脂肪酸合成，这也可以解释脂质合成酶在脑转移乳腺癌表达的诸多不同。额外得到脑微环境中的脂质可能是FASN抑制剂产生耐药性的机制[2]。更加普遍来讲，这些发现提出的论点是癌细胞在他们所处的微环境中是否能够合成特定的生物质可能会在一定程度上决定他们是否能够在特定位点形成肿瘤[5]。之前的文献报道在组织中获取丝氨酸能够决定肿瘤是否在该组织中生长[4]，而在肿瘤壁龛中获得其他的代谢物也能够决定肿瘤是否在特定位点生长。目前对环境营养物质水平的理解以及哪种营养物质对于哪种肿瘤的生长是匮乏的鉴定将会开启肿瘤治疗的新纪元，使得肿瘤治疗跨入靶向不同组织位点的代谢依赖包括脑转移的全新领域。
参考文献
1.Mills,M.N.etal.Managementofbrainmetastasesinbreastcancer:areviewofcurrentpracticesandemergingtreatments.BreastCancerRes.Treat.,–().
2.Kodack,D.P.etal.ThebrainmicroenvironmentmediatesresistanceinluminalbreastcancertoPI3KinhibitionthroughHER3activation.Sci.Transl.Med.24,9().
3.Chen,Q.etal.Carcinoma-astrocytegapjunctionspromotebrainmetastasisbycGAMPtransfer.Nature,–().
4.Ngo,B.etal.LimitedenvironmentalserineandglycineconferbrainmetastasissensitivitytoPHGDHinhibition.CancerDiscov.10,–().
5.Jin,X.etal.Ametastasismapofhumancancercelllines.Nature,-().
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