中国青年学者一作！最新《Natue》：肿瘤细胞外囊泡和颗粒诱发肝脏代谢功能障碍

癌症是一种由可溶性因子的释放介导的全身性疾病，它改变了多个器官的功能，包括那些未被转移器官。来自威尔康奈尔医学院的David Lyden教授及其团队发现炎症、脂肪肝和代谢失调是小鼠模型和肝外转移患者中系统转染肝脏的标志，且肿瘤来源的细胞外囊泡和颗粒（EVPs）是癌症诱导的肝脏重编程的关键介质，这可以通过消耗Rab27a来减少肿瘤EVP的分泌来逆转。所有的EVP亚群，即大外泌体、小外泌体和外泌颗粒，均可导致肝功能失调。肿瘤EVPs的脂肪酸负荷——特别是棕榈酸诱导Kupffer细胞分泌肿瘤坏死因子（TNF），产生促炎性微环境，抑制脂肪酸代谢和氧化磷酸化，促进脂肪肝的形成。值得注意的是，Kupfer细胞消融或TNF阻断显著降低了肿瘤诱导的脂肪肝生成。肿瘤植入或肿瘤EVPs预治疗可减少细胞色素P450基因的表达，并以TNF依赖的方式减弱药物代谢。本研究还观察到在后来发生肝外转移的胰腺癌患者的无瘤肝脏中，脂肪肝和细胞色素P450表达降低，强调了本研究的临床相关性。肿瘤EVP培养增强了化疗的副作用，包括骨髓抑制和心脏毒性，这表明肿瘤来源的EVPs对肝脏的代谢重编程可能会限制癌症患者的化疗耐受性。本研究结果揭示了肿瘤来源的EVPs如何失调肝功能及其靶向潜能，以及抑制TNF，以防止脂肪肝的形成和增强化疗的有效性。相关研究成果以题为“Tumour extracellular vesicles and particles  induce liver metabolic dysfunction”的论文于2023年5月24日发表在《Nature》上。

【远端肿瘤会改变肝脏的新陈代谢】

对照组和肿瘤小鼠无转移肝脏的RNA测序（RNA-seq）结果显示，在B16F10和K7M2两种模型中，469个上调基因和317个下调基因一致（图1a）。GSEA分析显示了免疫稳态和代谢的失调，包括通过NF-κB与炎症和TNF信号传递的联系，以及氧化磷酸化（OXPHOS）和脂肪酸代谢的降低（图1b）。多种脂类在在B16F10 (c)和K7M2 (d)肿瘤小鼠的肝脏中显著富集。与对照组相比，荷瘤小鼠肝脏中脂滴积累增加（图1e、f），表明脂肪肝的形成在多种癌症模型中很常见。RNA-seq分析局部PDAC患者新诊断肝活检，后来发展肝外转移与对照非癌病变显示，免疫稳态和代谢功能显著改变（图1g）。尽管癌症患者和对照组的体重指数相似，但经活检和尸检的PDAC患者均出现了肝外转移（图1h）。因此，在没有肝转移的情况下，远端肿瘤可以破坏癌症患者的肝脏代谢，并诱导脂肪肝的形成。

图1 远端原发性肿瘤诱发肝脏的代谢功能障碍

【肿瘤EVPs重新调节肝脏代谢】

全器官成像证实，在静脉注射B16F10和K7M2肿瘤来源的EVPs（TE-EVPs）进入幼稚小鼠24小时后，肝脏摄取EVPs（图2a、b）。转录组学分析显示，TE-EVPs培养的肝脏中炎症反应增加，代谢减少（图2c、d）。代谢组学质谱在TE-EVPs教育和携带肿瘤的小鼠肝脏中发现了类似的异常代谢物（图2e、f）。脂质和脂质代谢相关途径在B16F10-TE-EVP培养的肝脏中富集（图2e）。脂质组质谱进一步显示，B16F10-TE-EVPs培养的肝脏中神经酰胺和胆固醇酯表达上调，而B16F10-TE-EVP-和K7M2-TE-EVP培养的肝脏中甘油三酯表达上调（图2g、h）。与对照组相比，TE-EVPs培养的肝脏中脂滴的积累一致，（图2i、j）。以上结果表明，TE-EVPs再现了肿瘤在系统破坏肝脏代谢和诱导脂肪肝形成方面的功能。由于EVPs是异质性的，因此评估了B16F10细胞中哪些EVP亚群在培养4周后诱导肝脂滴积累（图2k），结果显示三个亚群均诱导脂肪肝形成（图2l）。

图2 肿瘤来源的EVPs诱导肝脏代谢功能障碍

【Kupffer细胞驱动脂质积累】

免疫荧光显微镜证实了超过90%的CD45+免疫细胞是Cd11b+ F4/80+ Kupffer细胞（图3a、b）。通过流式细胞术和免疫荧光分析证实了Kupffer细胞消耗的效率（图3c）。与脂质体注射对照组相比，两种模型的Kupffer细胞消耗显著减少了肝脂滴沉积，而不影响原发肿瘤的生长（图3d）。从B16F10和K7M2模型中提取的CL-EVPs和TE-EVPs都不能在Kupffer细胞消融的肝切片中诱导脂滴形成(图3e、f）。这些发现表明，Kupffer细胞对于肿瘤EVP诱导的脂肪肝形成是必要的。

图3 Kupffer细胞摄取肿瘤来源的EVPs可诱导脂肪肝的形成

【肿瘤EVP培养的Kupffer细胞上调TNF】

对于B16F10和K7M2模型，荷瘤小鼠和CL-EVPs或TE-EVPs培养的小鼠血浆TNF水平显著高于对照组小鼠（图4a、b）。通过重组TNF处理原代肝细胞，从而诱导脂滴的形成（图4c）。在携带B16F10或K7M2肿瘤的小鼠中腹腔注射泛TNF阻断抗体，观察到肝脂滴积累减少而不影响肿瘤生长（图4d）。在用抗TNF抗体处理B16F10-EVP-或K7M2-CL-EVP培养的小鼠中也得到了类似的结果（图4e），表明Kupffer细胞分泌的TNF是肿瘤EVP诱导的脂肪肝形成所必需的。游离脂肪酸定量质谱证实，与B16F10-TE-EVPs、B16FF10-CL-EVPs和K7M2-CL-EVPs各自的对照（从小鼠皮肤组织移植）中分离的多重饱和和不饱和脂肪酸的富集（图4f、g）。脂肪酸合酶抑制剂C7523显著降低了肿瘤细胞EVPs中游离脂肪酸的数量，从而损害了EVP诱导的枯普弗细胞中TNF的表达（图4h）。TLR4抑制还抑制了B16F10-CL-EVPs、K7M2-CL-EVPs、B16F10-TE-EVPs或K7M2-TE-EVPs介导的TNF诱导（图4i)，这表明通过EVP包装的棕榈酸激活Kupffer细胞中的炎症通路需要TLR4活性。 

图4 肿瘤EVPs中的棕榈酸诱导Kupffer细胞分泌TNF并促进脂肪肝的生成

【肿瘤EVPs抑制肝脏药物代谢】

重组TNF下调了小鼠肝细胞中人细胞色素P450同源基因Cyp1a2、Cyp2b10、Cyp2c38、Cyp2d9、Cyp2d10和Cyp3a11-对应的Cyp核心基因（图5a）。与对照组相比，这些基因在B16F10肿瘤小鼠或B16F10-CL-EVP培养小鼠分离的肝细胞中也被下调（图5b、c）。GSEA显示，在TNF治疗后，原代肝细胞、B16F10荷瘤小鼠和无肝转移（但后来发生肝外转移）的胰腺癌患者的肝脏中，药物代谢细胞色素P450信号通路下调（图5d）。与对照组相比，EVP培养的小鼠红细胞减少5.6%，网织红细胞减少26.9%，血红蛋白降低4.9%，说明氮烯唑胺毒性被显著增强（图5e)。超声心动图显示，阿霉素使PBS和成骨细胞t-EVP培养的小鼠左心室射血分数下降，K7M2-CL-EVP培养的小鼠下降（图5f）。因此，肿瘤EVPs通过损害肝脏药物代谢来增强化疗毒性，从而降低癌症患者的化疗耐受性。并且来自远端肿瘤的EVPs诱导炎症并下调无肿瘤肝脏中的脂质分解代谢，在小鼠和癌症患者中重编程代谢（图5g）。

图5 肿瘤EVPs抑制肝脏药物代谢，增强化学毒性

【总结】

综上所述，本研究强调了考虑癌症治疗和癌症的系统性影响的必要性。恢复肝功能的策略对于尽量减少副作用和增强对由肝脏代谢的化疗药物的治疗反应至关重要。本研究证明肿瘤EVP诱导的TNF分泌下调Cyp基因并损害肝脏药物代谢，将化疗与TNF抑制剂结合可能恢复正在接受治疗的癌症患者的肝功能。减少肿瘤EVP的产生可以防止肝脏代谢功能障碍和抑制PMN的形成。恢复正常的肝功能也可以预防与癌症相关的进一步的系统性病理，比如说如心血管疾病。

来源：BioMed科技
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