人睡了，癌細胞醒了！Nature 研究刷新認知：睡覺時，癌細胞竟會加速增殖和轉移

蔚藍色淼 2022-06-25 發布于河北

展開全文

導讀

多年來，癌癥一直是對人類健康最大的威脅之一。盡管在臨床護理和癌癥生物學領域有許多發現和進步，但我們對這種疾病的認知仍然存在局限性。在癌癥發展過程中出現的許多現象中，最重要的可能是癌癥的轉移過程，即癌細胞脫離原發腫瘤，通過血管在體內傳播并在其他器官中形成新的腫瘤，90% 的癌癥死亡都與轉移有關。

前期的研究發現，腫瘤的轉移擴散是通過循環腫瘤細胞（Circulating tumour cells, CTCs）的血液播散實現的。CTCs 從生長的腫瘤中脫落，即使在惡劣的循環系統中也能保持增殖和生存的能力。然而，原發腫瘤生成 CTCs 的動力學機制尚不清楚。

2022 年 6 月 22 日，由蘇黎世聯邦理工學院、巴塞爾大學等單位的研究人員組成的團隊在國際頂級期刊 Nature 發表了題為 The metastatic spread of breast cancer accelerates during sleep 的研究長文，該研究得出了一個令人驚訝的結論：具有高轉移傾向的循環腫瘤細胞的產生并不是持續發生的，而是主要發生在睡眠階段。這一結論為有轉移傾向癌癥患者在特定時間進行檢測和治療提供了新的理論依據。

圖片來源：Nature

主要研究內容

晝夜節律和 CTCs 內滲進入血管

本研究納入了 30 名乳腺癌患者，其中 21 例被診斷為早期乳腺癌（無轉移），9 例被診斷為轉移期。研究人員分別在凌晨 4 點和上午 10 點采集樣本，這兩個時間點分別代表身體的「休息」和「活躍」階段。

令人驚訝的是，他們發現所獲得的 CTCs 中有 78.3% 來自于休息期采集的樣本，這些 CTCs 包括單個 CTC、CTC 集群（CTC cluster）和 CTC-白細胞集群。

為了測試這些發現的普遍性，并更好地描述事件發生的精確時間，研究人員使用了四種不同的乳腺癌小鼠模型進行了系統研究。結果發現，與患者來源數據一致，大多數 CTC 事件（高于 87%）發生在小鼠休息期獲得的樣本中。

當專注于兩個最具代表性的時間點，即小鼠晝夜節律的休息期（ZT4）和活動期（ZT16）（授時因子時間：Zeitgeber time, ZT），可以發現所有受試模型中的絕對和標準化 CTC 計數均存在顯著差異，而這種差異主要是由進入血管內滲速率的差異造成的。這些結果表明，在乳腺癌患者和小鼠模型中，CTCs 的釋放主要是在睡眠期間發生的。

圖片來源：Nature

睡眠中產生的 CTCs 的轉移能力更強

接下來，他們進一步研究了在晝夜節律的不同階段產生的 CTCs 轉移潛能是否不同。

為此，他們使用了 NSG-LM2 異種移植模型，在晝夜節律的不同時間點（ZT0、ZT4、ZT12、ZT16）收集自發脫落的 CTCs，并通過尾靜脈注射到無瘤小鼠體內，以測定 CTCs 的直接轉移能力。值得注意的是，他們發現大多數轉移發生在 ZT4 時間點收集的 CTCs 中，這些結果表明在休息期脫落的 CTCs 轉移能力更強。

圖片來源：Nature

CTCs 中時間依賴性基因的表達

隨后，他們試圖研究決定 CTCs 在休息期和活躍期轉移能力差異的分子特征，他們在小鼠的休息（ZT4）和活躍（ZT16）階段分離出 CTCs 并對它們進行單細胞轉錄組測序（scRNA-seq）。

主成分分析發現，時間點（ZT4 與 ZT16）是影響 CTCs 基因表達的關鍵特征，即時間點驅動明顯的基因表達變化。在對 ZT4 和 ZT16 中上調的基因進行富集分析時發現，有絲分裂和細胞分裂的通路在 ZT4 中高度活躍，而支持核糖體生物生成和基因翻譯的通路則在 ZT16 中上調。值得注意的是，在從乳腺癌患者中分離的 CTCs 中，在一天的活動（10AM）和休息（4AM）階段，觀察到了與在小鼠模型中相同的基因表達和通路活性模式。

總之，從患者和小鼠模型中分離的 CTCs 在休息和活躍期的分子基因表達分析顯示了非常不同的基因表達模式。具體而言，在睡眠期間，基因表達由細胞分裂和有絲分裂基因主導，而在活動期間，觀察到高核糖體生物發生活性。這種振蕩增殖不僅在 CTCs 中觀察到，而且在原發性腫瘤中也觀察到，這表明這是在疾病進展過程中發生在乳腺癌細胞中的普遍現象。

圖片來源：Nature

CTCs 內滲進入血管的調控

最后，他們對晝夜節律驅動的 CTCs 生成和增殖的主要調控因子進行了研究，發現糖皮質激素受體、雄激素受體和胰島素受體的表達在 CTCs 高度表達，這表明它們的配體可能參與了時間驅動的 CTCs 生成和增殖。

為了驗證這一假設，他們在小鼠休息期（ZT2）單獨使用地塞米松（特定的糖皮質激素受體配體）和植入睪酮顆粒（主要的雄激素受體配體）進行干預，并在休息期的高峰時間采樣，結果發現 CTCs 顯著減少；而在休息期使用胰島素治療則減少了 ZT4 時 CTCs 內滲進入血管，增加了 ZT16 時的 CTCs 內滲進入血管，而原發腫瘤體積沒有顯著變化。值得注意的是，在休息期使用胰島素治療也會逆轉乳腺癌細胞的增殖周期。這些實驗結果表明，乳腺癌細胞的增殖和血管內滲是由關鍵的晝夜節律調節激素的日常振蕩決定的，激素可以對乳腺癌的轉移產生影響。

圖片來源：Nature

結語

綜上所述，本研究為具有轉移能力的 CTCs 的生成過程提供了新的見解。他們發現，在乳腺癌患者和小鼠模型中，CTCs 的生成主要發生在睡眠階段，并且具有更大的轉移傾向，這種增強的轉移能力是由依賴時間的高增殖率所賦予的，受到晝夜節律調節激素的影響。

這一研究結果提示可以使用時間節律控制的方法來表征和治療乳腺癌，以最大限度地減少變異，并選擇合適的癌癥治療方法，使其在睡眠期間發揮最大效力。

延伸閱讀

本研究在線發表時，Nature 雜志同時刊登了來自密歇根大學 Harrison Ball 教授和 Sunitha Nagrath 教授題為 Cancer cells spread aggressively during sleep 的評述性文章。

圖片來源：Nature

該評述性文章指出：Diamantopoulou 及其同事的工作對癌癥研究領域和臨床癌癥治療具有重要的意義，盡管在這項研究中只評估了乳腺癌，這些結果是否適用于其他類型的腫瘤目前還不清晰，但如果該現象具有普適性，那將會是一件非常有趣的事情。同時，基于此的血液生物標志物研究的新篇章也已被開啟，即考慮各種調節因子（如激素），如何影響癌癥的增殖和擴散。