寒冷抑制肿瘤生长

肿瘤的生长一直是研究热点之一。代谢改变是癌症的标志之一，恶性肿瘤细胞通常重新编程代谢以促进其生长、增殖、迁移和存活。大多数癌症最显著的代谢改变是葡萄糖的高摄取率。相对于健康细胞线粒体中的葡萄糖完全氧化，肿瘤细胞中基于葡萄糖的有氧糖酵解的速率加快了10-100倍。身体的产热方式主要分为战栗性产热(shivering thermogenesis)和非战栗性产热(non-shivering thermogenesis)。非战栗性产热主要是通过激活棕色脂肪组织(Brown adipose tissue, BAT)来实现。葡萄糖有助于棕色脂肪组织产热，葡萄糖转运蛋白1(Glucose transporter 1, Glut1)、葡萄糖转运蛋白4(Glucose transporter 4, Glut4)或己糖激酶（糖酵解的初始酶）的基因敲低可显著损害代谢。棕色脂肪组织介导的非战栗性产热是一种有效的能量消耗机制，可降低肥胖和糖尿病动物的体重并改善代谢功能障碍。此篇文献详细阐述了小鼠经过冷驯化试验诱导的BAT激活，显著抑制了各种实体瘤的生长。BAT的去除和UCP1的基因缺失恢复了冷暴露下的肿瘤生长速率。成年健康人和癌症患者因轻度寒冷暴露而激活BAT的初步结果即冷暴露也显著降低了人体肿瘤的葡萄糖摄取。

Nature IF: 64.8 Q1 2022年8月发表:

文献题目

本研究该小组发现：使用多种不同类型的荷瘤小鼠模型暴露在寒冷条件下会显著抑制各种类型实体瘤的生长，包括胰腺癌等临床上无法治疗的癌症。从机制上讲，冷诱导的BAT激活显著降低血糖并阻碍癌症细胞中基于糖酵解的代谢。去除BAT并在冷暴露下以高糖饮食喂养可恢复肿瘤生长，而BAT产热的关键介质Ucp1基因的缺失可消除冷引发的抗癌作用。同样，轻度寒冷暴露会激活健康人和癌症患者体内大量的BAT，从而减轻肿瘤组织中的葡萄糖摄入。该项研究认为冷暴露和通过任何其他方法激活BAT，如单独或与其他抗癌疗法联合的药物和设备，将为有效治疗各种癌症提供一种通用方法。

图1：冷暴露抑制异种移植物和遗传自发肿瘤生长，延长荷瘤小鼠的总生存期，并改变肿瘤微环境。a. 皮下移植的结直肠癌模型小鼠(CRC)分别在30℃和4℃条件下的肿瘤生长。n = 8，T/C=治疗组与对照组肿瘤生长的比率。b. CRC荷瘤小鼠的总生存率。n = 6。c. CRC肿瘤免疫荧光染色。CA9+染色肿瘤缺氧区，Ki-67+染色增值细胞，CD31+染色微血管和裂解的胱天蛋白酶3+（Cl-Casp3+）染色凋亡细胞。白色的大小箭头分别表示阳性信号。肿瘤组织用4′，6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）复染。标尺为50 μm。d. 对c中所示的阳性信号进行定量分析。e. MMTV-PyMT小鼠模型下自发性乳腺癌症的肿瘤生长率和肿瘤发生率。n = 10。f. 在30℃和4℃下Apcmin/+ 小鼠模型的实验示意图，肠腺瘤形态，结肠重量，息肉数量，息肉平均大小和分布。n = 8，箭头所指为息肉。标尺为50 μm。RT：室温；w：周。

图2：脂肪组织和肿瘤中的脂肪活化和葡萄糖摄取。a. 分别30℃和4℃处理后的条件下对CRC模型小鼠的BAT进行UCP1、周脂蛋白、COX4和CD31的组织学和免疫荧光染色。白色的大小箭头分别表示阳性信号。标尺为50 μm。b–d. BAT和肿瘤的代表性PET–CT图像，以及患有相似肿瘤大小的CRC肿瘤小鼠的标准化摄取值(SUV)与体重(SUV-BW)的量化值(b)，患有相似肿瘤大小的MMTV PyMT小鼠(c)和30℃条件下年龄相似的ApcMin/+小鼠(d) 30℃和4℃条件。n = 4(b)和n =  3(c和d)小鼠。BAT和肿瘤分别用红色和橙色箭头表示。对于b–d，标尺为5 mm. e. 在30℃和4℃条件下CRC荷瘤小鼠的空腹血糖浓度。n = 6。f. CRC荷瘤小鼠在30℃和4℃条件下的胰岛素耐受试验(上)和葡萄糖耐受试验(下)。n = 6。

图3：去除BAT可消除冷触发的肿瘤抑制作用。a. 在30℃和4℃条件下假手术组和BAT切除后CRC荷瘤小鼠的血糖水平 。n = 8。b. 在30℃和4℃条件下，假手术组和BAT切除小鼠的CRC肿瘤生长率 。n = 10。c. 在30℃和4℃条件下，去除BAT的MMTV-PyMT小鼠的肿瘤生长曲线。n = 6。d. 在30°C和4°C条件下，去除BAT的MMTV-PyMT小鼠的代表性PET–CT图像和SUV-BW定量。n = 6。标尺为5 mm。e. 去除BAT的MMTV-PyMT小鼠的肿瘤生长的免疫荧光染色：CA9+染色肿瘤缺氧区，Ki-67+染色增值细胞，CD31+染色微血管和Cl-Casp3+染色凋亡细胞。箭头表示阳性信号。肿瘤组织用DAPI（蓝色）复染。标尺为50 μm。f. 图e中所示标记物的阳性信号的量化值。n = 6。

图4：糖酵解的代谢组学分析和PI3K信号的检测。a. 基因集富集分析比较暴露于30℃和4℃的CRC样品的碳水化合物代谢过程(上)和脂肪酸代谢过程(下)的表达。n =  3和2个生物样品。b，c. 在30℃和4℃条件下，CRC荷瘤小鼠的BAT（b）和肿瘤（c）的糖酵解相关代谢产物的代谢组学热图分析。每列代表一个生物样本。n = 4。d. CRC肿瘤组织中Glut基因和糖酵解相关基因的定量PCR（qPCR）分析。n =  6。e，f. 暴露于30℃和4℃的CRC肿瘤中非磷酸化和磷酸化PI3K、AKT和mTOR的免疫印迹分析（e）和定量（f）。n = 每组4个生物样本。β-肌动蛋白用于标准化总蛋白质负荷水平。

图5：高糖喂养和UCP1缺乏消除了冷诱导的肿瘤抑制。a. 在30℃和4℃下，用对照溶剂（左）或15%葡萄糖（右）喂养的CRC荷瘤小鼠的肿瘤生长率。n = 5。b. 在30℃和4℃条件下，用对照溶剂或15%葡萄糖处理的具有相同肿瘤大小的荷瘤小鼠的代表性PET–CT图像和SUV-BW的定量值。n = 3。标尺为5mm。c. 在30℃和4℃条件下用对照溶剂或15%葡萄糖处理的CRC的非磷酸化和磷酸化PI3K、AKT和GLUT1的蛋白质印迹检测。GAPDH用于标准化总蛋白质负载水平。d.在30℃和4℃条件下，植入WT（左）和Ucp1−/−（右）小鼠的CRC的肿瘤生长率。n =  5。e. 在30℃和4℃条件下，携带UCP1−/−CRC肿瘤的小鼠的BAT和肿瘤组织中18F-FDG摄取的PET–CT图像。红色箭头表示BAT，橙色箭头表示肿瘤组织。BAT和肿瘤组织的SUV-BW值的量化。n = 3。标尺5mm。

图6：健康受试者和癌症患者在暴露于轻度寒冷环境下激活BAT。a. 在热中性条件下（28 ℃）和冷暴露（16 ℃）条件下适应2周的健康男性志愿者18F-FDG摄取的代表性PET图像。n = 3。标尺为100mm。b. 一名霍奇金淋巴瘤患者在温暖和轻度寒冷条件下锁骨上、颈部和胸骨旁区域18F-FDG摄取的代表性PET图像。标尺为100mm。c. 在温暖条件下和暴露于轻度寒冷的条件下，通过CT扫描在肿瘤区域中获得的代表性图像。标尺为100 mm（和50 mm（下）。d. 肿瘤区域在温暖和轻度寒冷条件下18F-FDG摄取的PET图像。标尺为50mm。 箭头表示相应的阳性信号。e. b所示的SUV-BW阳性信号的量化值。n = 3次单独的扫描。f. d所示的SUV-BW阳性信号的量化值。n = 3次单独的扫描。

通过多种小鼠移植瘤模型，以及结直肠癌和乳腺癌自发成瘤模型在不同温度干预，发现与热中性的30℃处理组相比，4℃冷暴露显著抑制小鼠肿瘤生长，并延长荷瘤小鼠生存时间。通过使用核心体温仍为37℃的非体表肿瘤模型，研究者们排除了寒冷对体表肿瘤的直接影响，并发现肿瘤内部的微血管密度下降，细胞凋亡增加。同时，在冷暴露下，小鼠的棕色脂肪显著激活。PET-CT结果显示，冷暴露显著促进棕色脂肪组织的葡萄糖摄取而抑制肿瘤组织对葡萄糖的摄取。而寒冷所激活的棕色脂肪组织，通过对机体固有血糖的竞争来降低葡萄糖的来源及削弱肿瘤摄取葡萄糖能力两方面来抑制肿瘤生长。随后，研究者使用了高糖饲养荷瘤小鼠模型，及UCP1基因敲除荷瘤小鼠模型从正反两方面进行了验证。而在人体试验同样也得出了在寒冷状态下激活BAT后会减少肿瘤组织对血糖的摄取。说明动物模型和人体的调控机制类似。但是人体试验仅证明了这个机制，并未得出与生存率及机体其他指标相关的结果。虽然从以上的数据可以得出寒冷干预治疗肿瘤的临床可行性，但是要知道的一点。大部分肿瘤与人体低代谢高度相关。肿瘤患者的基础代谢和体温弱于健康人群。如若盲目使用寒冷干预来对肿瘤患者进行治疗也许适得其反。需要进行更多的论证和更远期的观察。

参考文献

Seki T, Yang Y, Sun X, et al. Brown-fat-mediated tumour suppression by cold-altered global metabolism. Nature. 2022; 608(7922): 421-428. doi:10.1038/s41586-022-05030-3.

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