小细胞肺癌
(
SCLC
)
是最具侵袭性的癌症类型之一。三分之二的小细胞肺癌患者在初次诊断时出现远处转移,这些患者的中位生存期仅略高于半年。小细胞肺癌具有高度异质性;这种异质性首先在培养的
人小细胞肺癌
(
hSCLC
)
细胞系中观察到
【1】
,其中70%以上表现出经典的
神经内分泌
(
NE
)
特征,因此被称为经典亚型,而其余的变异亚型表现出相对较低的NE标志物表达。经典亚型是由高ASCL1表达驱动的
(因此更名为SCLC-A)
,而变异亚型则由高NEUROD1表达驱动
(重命名为SCLC-N)
,两者都被广泛定义为NE亚型,与进一步确定为SCLC-P和SCLC-Y9的两种非NE亚型形成对比。
无论分子亚型如何,hSCLC都表现出肿瘤抑制基因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
(GEMM)
:PR
(
Trp53
-/-
和
RB1
-/-
)
、PRP130
(
Trp53
-/-
、
RB1
-/-
和
Rbl2
-/-
)
和PRPTEN
(
Trp53
-/-
、
Rb1
-/-
和
Pten
-/-
)
模型代表了经典的SCLC;PRM模型
(
Trp53
-/-
、
Rb1
-/-
和
Myc
T58A
)
代表变异型SCLC。对这些GEMM和GEMM衍生细胞系的研究表明,NE
(主要对应于SCLC-A亚型)
和非NE
(相当于SCLC-Y亚型)
亚群都可能来自同一肿瘤,甚至同一克隆
【2】
。这些研究首次提供了小细胞肺癌中功能性肿瘤内异质性
(ITH)
的实验证据。NE细胞是主要的转移细胞类型,而非NE细胞则被认为具有支持作用:与非NE细胞共培养或来自非NE细胞的条件培养基能促进NE细胞增殖、侵袭和转移。非NE细胞分泌的FGF2已被证明可以介导协同作用,但其他机制尚不清楚。在hSCLC中,单细胞RNA测序表明ITH增加与较差的预后和治疗抵抗之间存在关联;然而,缺乏对人体样本中功能性ITH的实验验证。
小细胞肺癌的主要起源细胞被认为是罕见的肺神经内分泌细胞
(PNEC)
,它们聚集形成
神经内分泌体
(
NEB
)
。有趣的是,PNEC具有电活性
【3】
,而少数的hSCLC细胞同样具有兴奋性。是否SCLC的异质性同样体现在电生理特性上,目前尚未探究。值得注意的是,神经元特征被认为是SCLC转移潜力的基础:肝转移与SCLC中神经元转录程序的诱导有关;轴突样突起已被证明可以促进小细胞肺癌的侵袭和转移。然而,电活性是否直接影响肿瘤进展,尚不清楚。
近日,弗朗西斯·克里克研究所的
Leanne Li
团队在
Nature
杂志上发表文章
Intrinsic electrical activity drives small-cell lung cancer progression
,发现NE细胞具有电活性,而非NE细胞没有,且NE细胞的电活性直接促进SCLC的恶性。这伴随着ATP需求增加来维持这种电活动,导致NE细胞对氧化磷酸化的异常依赖。这一发现与文献中报道的大多数癌症细胞的特性形成了对比,这些细胞是不可兴奋的,严重依赖有氧糖酵解。非NE细胞代谢支持NE细胞,这一过程类似于星形胶质细胞-神经元代谢产物穿梭。在SCLC进展过程中,神经支配发生了剧烈变化,这与SCLC细胞中肿瘤内异质性增加和神经元特征升高相吻合,表明在癌症细胞固有电活性的驱动下,诱导了肿瘤自主恶性循环,这赋予了长期的肿瘤发生能力和转移潜力。
研究人员首先在GEMM以及患者来源异种移植物模型中分离出NE和非NE细胞,转录组分析显示NE细胞富含突触信号的转录组特征,而非NE细胞则富含细胞外基质特征。电生理检测显示NE细胞与神经元相似,是可兴奋的,能够释放动作电位,而非NE细胞不能。在神经元中,膜去极化导致钙内流,在NE细胞中也观察到钙内流的现象,且在小鼠原位小细胞肺癌肿瘤中同样观察到钙波的传播。钙波传播不是突触依赖性的,而是某种扩散因子导致的。进一步研究发现乙酰胆碱
(ACh)
是引发NE细胞电活动的扩散因子,且小细胞肺癌细胞能够合成并分泌Ach。ACh是胆碱能副交感自主神经元的主要神经递质,其轴突包括肺迷走神经并支配神经内分泌体
(NEBs)
。而令人惊讶的是,肿瘤诱导后,NEB或早期小细胞肺癌病变的整体神经支配及其分泌ACh、胆碱能轴突的比例显著增加。神经轴突不仅在肿瘤周围被检测到,而且紧紧地编织在病变的核心,且观察到典型的末梢结构,这可能指向神经末梢的突触形成。而在晚期小细胞肺癌中,胆碱能神经轴突的内部和百分比都降低了,与此同时,癌症细胞高度表达泛神经元标记物β3-微管蛋白。即在SCLC进展过程中,神经支配发生了剧烈变化。
静息状态的神经元中,维持膜电位需要消耗大量的ATP,管家活动对ATP的消耗仅占25%。当神经元激活动作电位时,对ATP的需求会进一步增加,从而消散需要随后恢复的离子梯度。研究发现对ATP的高需求导致NE细胞对氧化磷酸化的异常依赖。这一发现与文献中报道的大多数癌症细胞的特性形成了对比,这些癌症细胞是不可兴奋的,严重依赖有氧糖酵解。NE细胞的葡萄糖摄取率明显低于非NE细胞,这就提示NE细胞利用其他代谢物生产ATP,研究发现非NE细胞通过代谢穿梭的方式支持NE细胞。
尽管具有相同的驱动突变,但与NE细胞相比,非NE细胞即使在免疫功能低下的动物中也无法建立肝转移,那么是否电活动能力与转移潜力具有关联?使用TTX来抑制动作电位放电,NE细胞的存活没有改变,但显著降低其长期致瘤的潜力。在其他具有兴奋性的肿瘤细胞系中,TTX显著降低长期致瘤潜能,而非兴奋性细胞不受TTX的影响。而TTX的短暂处理会促进NE细胞的在体内的肿瘤进展,这可能是去除TTX会导致反弹多动和神经元放电频率增加,将平均神经元活动维持在相对稳定的长期水平。
使用化学遗传方法实现在体内持续抑制NE细胞的电活性,改变NE细胞的代谢活动,显著抑制肺转移,并延长小鼠的生存。
总的来说,这项研究
揭示了电活动直接激活小细胞肺癌神经内分泌(NE)细胞的长期致瘤潜力和转移能力。
虽然胆碱能神经支配可能在肿瘤起始阶段发挥重要作用,但随着小细胞肺癌的进展,NE细胞变得更加神经元化,非NE细胞代谢支持NE细胞促进其电活动,这有利于自分泌信号的自我传播循环和侵袭性的增加。
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08575-7
制版人:十一
1. Gazdar, A. F., Carney, D. N., Nau, M. M. & Minna, J. D. Characterization of variant subclasses of cell lines derived from small cell lung cancer having distinctive biochemical, morphological, and growth properties.
Cancer Res.
45, 2924–2930 (1985).
2. Calbo, J. et al. A functional role for tumor cell heterogeneity in a mouse model of small cell lung cancer.
Cancer Cell
19, 244–256 (2011).
3. Seeholzer, L. F. & Julius, D. Neuroendocrine cells initiate protective upper airway reflexes.
Science
384, 295–301 (2024).
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