在《Nature》期刊发表的这篇文章中，来自英国的科研团队探讨了小细胞肺癌（SCLC）的内在电活动如何驱动其进展。研究发现，SCLC中的神经内分泌（NE）细胞具有兴奋性，其动作电位的发放直接促进了SCLC的恶性发展。然而，这种电活动导致了NE细胞对氧化磷酸化的异常依赖，这与大多数癌细胞依赖有氧糖酵解的特性形成对比。此外，非NE细胞通过类似星形胶质细胞-神经元代谢物穿梭的机制为NE细胞提供代谢支持。研究还观察到SCLC进展过程中神经支配景观的显著变化，伴随着肿瘤内异质性的增加和SCLC细胞中神经元特征的增强。这些发现表明，癌细胞内在的电活动驱动了一种肿瘤自主的恶性循环，赋予了长期的肿瘤生成能力和转移潜力。
小细胞肺癌（SCLC）是一种高度侵袭性的神经内分泌癌症，其患者在初次诊断时常常已出现远处转移，且中位生存期仅略超过半年。SCLC表现出高度的异质性，最初在培养的人类SCLC细胞系中观察到，其中超过70%显示出经典的神经内分泌（NE）特征，被称为经典亚型，而其余变异亚型则表现出相对较低的NE标志物表达。最近的研究揭示，经典亚型由高ASCL1表达驱动，而变异亚型由高NEUROD1表达驱动，这两者都被广泛定义为NE亚型，与进一步识别的两个非NE亚型形成对比。
无论分子亚型如何，人类SCLC几乎普遍存在肿瘤抑制基因TP53和RB1的失活突变，基于此开发了几种SCLC的基因工程小鼠模型（GEMMs）。在经典GEMMs及其衍生的细胞系中，研究发现NE（主要对应于SCLC-A亚型）和非NE（可比于SCLC-Y亚型）亚群可以从同一肿瘤甚至同一克隆中产生。这些研究首次提供了SCLC中功能性肿瘤内异质性的实验证据。NE细胞是主要的转移细胞类型，而非NE细胞被认为具有支持作用：与非NE细胞共培养或来自非NE细胞的条件培养基都促进NE细胞的增殖、侵袭和转移。非NE细胞分泌的成纤维细胞生长因子2（FGF2）已被证明在这种合作中起作用，但其他机制仍然未知。在人类SCLC中，单细胞RNA测序显示增加的肿瘤内异质性与较差的预后和治疗抵抗相关；然而，缺乏在人类样本中功能性肿瘤内异质性的实验验证。
研究揭示了小细胞肺癌（SCLC）中的神经内分泌（NE）细胞具有电兴奋性，这种特性直接促进了肿瘤的恶性发展。NE细胞能够发放动作电位，这种电活动增加了ATP的需求，导致NE细胞对氧化磷酸化（OXPHOS）的依赖性增强，与大多数癌细胞依赖有氧糖酵解的特性形成对比。此外，非NE细胞通过代谢支持NE细胞，类似于星形胶质细胞与神经元之间的代谢穿梭。这种细胞间的代谢合作有助于维持NE细胞的电活动，从而促进肿瘤的侵袭性和转移潜力。
研究还发现，SCLC的进展过程中神经支配的显著变化与肿瘤内异质性增加和SCLC细胞中神经特征的提升相吻合。这表明肿瘤细胞内在的电活动可能诱导了一种自我维持的恶性循环，赋予了肿瘤长期的致瘤能力和转移潜力。研究通过使用毒素、光遗传学和化学遗传学的方法，直接证明了动作电位发放在SCLC的侵袭性中起到的关键作用。
通过识别NE细胞的电活动和代谢特征，研究为理解SCLC的侵袭性提供了新的视角，并可能推动开发新型治疗策略，以改善患者预后和延长生存期。这些发现也可能适用于其他具有类似神经分化特征的癌症，提示电活动在肿瘤进展中可能具有更广泛的影响。
这些发现具有重要的临床意义，因为它们揭示了SCLC肿瘤进展的一个关键机制，即电活动对肿瘤细胞的长期致瘤能力和转移潜力的影响。这为开发针对SCLC的新疗法提供了理论基础，例如，针对NE细胞的电活动和代谢特征进行干预。
1. 细胞模型和电生理特性分析：使用人类和小鼠SCLC细胞系以及患者来源的异种移植（PDX）模型。对NE和非NE细胞进行电生理特性测定，利用膜片钳技术记录动作电位和钠钾电流。
2. 代谢分析：通过葡萄糖代谢试验、氧耗率测量和质谱分析研究细胞代谢。评估细胞对氧化磷酸化（OXPHOS）的依赖性以及不同代谢底物在NE细胞中对ATP生成的贡献。
3. 神经支配和信号传导路径：观察肿瘤进展中神经支配的变化，分析乙酰胆碱（ACh）和其受体在SCLC中的作用。使用药理学和基因工具（如TTX、光遗传学和化学遗传学）操控电活动。
4. 肿瘤异质性和转移潜力评估：通过体外和体内实验（如肝转移模型和生存分析）评估电活动对肿瘤进展和转移潜力的影响。研究NE细胞和非NE细胞间的代谢互作对肿瘤异质性和进展的贡献。
5. 分子生物学分析：利用RNA测序和蛋白质检测分析不同细胞类型的基因表达谱。进行基因集合富集分析（GSEA）以识别NE和非NE细胞的特征性基因表达签名。
图1：电活性的神经上皮细胞产生自发和诱发的钙波
Figure 1 探讨了神经上皮细胞的钙波。A. 为了研究神经上皮细胞的电活动性，作者使用钙成像技术检测了神经上皮细胞的自发钙波。结果显示，神经上皮细胞能够产生自发的钙波，这表明这些细胞具有内在的电活动性。B. 为了进一步探究神经上皮细胞对外部刺激的反应，作者通过电刺激诱发神经上皮细胞的钙波，并使用钙成像技术进行检测。结果显示，电刺激能够诱发神经上皮细胞产生钙波，证明这些细胞对外部电刺激具有反应性。结论：神经上皮细胞不仅能够自发地产生钙波，还能对外部电刺激产生反应，这表明这些细胞具有电活性。
图2：胆碱能信号触发去极化并在NE细胞中引发钙瞬变
Figure 2 探讨了胆碱能信号在NE细胞中引发去极化和钙瞬变的作用机制。A. 为了研究胆碱能信号对NE细胞膜电位的影响，作者使用膜片钳技术测量了NE细胞在胆碱能刺激下的膜电位变化。结果显示，胆碱能信号能够显著引发NE细胞的去极化。B. 为了进一步验证胆碱能信号对NE细胞钙瞬变的影响，作者采用钙成像技术检测了NE细胞在胆碱能刺激下的钙离子浓度变化。结果表明，胆碱能信号能够诱导NE细胞内钙离子浓度的瞬时升高。结论：胆碱能信号能够触发NE细胞的去极化，并引发细胞内钙离子浓度的瞬时变化，表明胆碱能信号在NE细胞功能调控中具有重要作用。
图3：神经内分泌细胞的高ATP需求增加了对氧化磷酸化的依赖性
Figure 3 探讨了神经内分泌细胞（NE细胞）由于其特殊的功能和代谢需求，可能对能量代谢途径有不同的依赖性，尤其是在氧化磷酸化（OXPHOS）方面。A. 为了探讨NE细胞对氧化磷酸化的依赖性，作者对NE细胞和非NE细胞进行了氧化磷酸化相关基因的表达分析。结果显示，NE细胞中氧化磷酸化相关基因的表达水平显著高于非NE细胞。B. 为了验证NE细胞对氧化磷酸化的依赖性，作者使用氧化磷酸化抑制剂对NE细胞和非NE细胞进行了处理。结果表明，氧化磷酸化抑制剂显著降低了NE细胞的ATP水平，而对非NE细胞的影响较小。C. 为了进一步确认NE细胞的能量代谢特征，作者对NE细胞和非NE细胞进行了线粒体呼吸功能检测。结果显示，NE细胞的线粒体呼吸能力显著高于非NE细胞。结论：神经内分泌细胞由于其高ATP需求，表现出对氧化磷酸化的显著依赖性，这可能与其独特的代谢特征和功能需求有关。
图4：非NE细胞提供的代谢物支持维持NE细胞的ATP需求
Figure 4 为了探究非NE细胞如何通过代谢物支持NE细胞的ATP需求，作者设计了一系列实验来分析不同细胞间的代谢物交换及其对ATP水平的影响。A. 作者通过共培养实验研究了非NE细胞对NE细胞ATP水平的影响。结果显示，与单独培养的NE细胞相比，共培养的NE细胞ATP水平显著提高。B. 为了进一步验证非NE细胞代谢物对NE细胞ATP水平的影响，作者使用了代谢物分析技术。结果表明，非NE细胞分泌的特定代谢物能够被NE细胞摄取并用于ATP合成。C. 作者通过抑制非NE细胞代谢途径的实验，分析了这些代谢途径对NE细胞ATP水平的贡献。结果显示，抑制非NE细胞的特定代谢途径会导致NE细胞ATP水平下降。结论：非NE细胞通过分泌特定代谢物支持NE细胞的ATP合成，维持其能量需求。
Figure 5 研究探讨电活动对小细胞肺癌进展的影响。A. 为了研究电活动对SCLC细胞增殖的影响，作者通过电刺激处理SCLC细胞，并使用CCK-8细胞计数法检测细胞增殖情况。结果显示，电刺激显著促进了SCLC细胞的增殖。B. 为了验证电活动对SCLC细胞迁移能力的影响，作者进行了划痕实验。结果表明，电刺激处理的SCLC细胞迁移能力显著增强。C. 为了探讨电活动对SCLC细胞侵袭能力的影响，作者使用了transwell实验。结果显示，电刺激显著增强了SCLC细胞的侵袭能力。D. 为了评估电活动对SCLC细胞凋亡的影响，作者进行了流式细胞术分析。结果表明，电刺激处理的SCLC细胞凋亡率显著降低。结论：电活动通过促进增殖、迁移和侵袭，并抑制凋亡，推动了小细胞肺癌的进展。
