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這份研推翻人類對癌症的基本認知

  近百年來,醫學界一直認為癌細胞會大量掠奪葡萄糖進行高速代謝,這也是癌症代謝領域一直以來的經典理論。然而最近一項來自美國范德堡大學的研究顛覆了這個理論。他們發現,高速消耗葡萄糖的罪魁禍首並非癌細胞本身,而是腫瘤組織中的非癌細胞——主要是被稱為巨噬細胞的免疫細胞。


  該研究小組 4 月 7 日發表在《自然》上的論文顯示,腫瘤微環境中不同類型的細胞會根據各自的代謝程序消耗不同的營養來源,這一發現可用於開發新的癌症療法和成像策略。

  論文通訊作者之一、范德堡大學免疫生物學中心主任 Jeffrey Rathmell 博士介紹說:" 癌症代謝領域在過去 20 年飛速發展,這一切的基礎是諾貝爾生理學與醫學獎得主、德國生理學家奧托 · 瓦博格在 1922 年發表的一項觀察性研究,即癌細胞會高速消耗葡萄糖。"

  傳統癌症代謝理論認為,正常分化的細胞主要依靠線粒體的氧化磷酸化為細胞供能,而大多數癌細胞則依賴於有氧糖酵解。上世紀 20 年代,瓦博格和他的研究小組觀察到,與周圍組織相比,癌細胞會消耗大量葡萄糖,並且即使在氧含量足以支持線粒體通過氧化磷酸化供能的情況下,癌細胞也傾向於將葡萄糖酵解成乳酸,以獲取能量。瓦博格還做出了進一步推測,認為線粒體功能異常可能是癌細胞糖酵解率更高的原因,也是癌症發展的主要誘因之一。這一發現為癌症代謝領域奠定了基礎,也由此被命名為 " 瓦博格效應 "。然而,隨後的大量研究表明,大多數癌細胞的線粒體功能並未受損,這表明癌細胞的有氧糖酵解可能存在其他解釋。

  對此,Jeffrey Rathmell 指出:" 現如今,我們知道腫瘤組織中包含許多類型的細胞,且令人驚訝的是,非癌細胞實際上才是腫瘤中主要的葡萄糖消耗者。"

  瓦博格效應也是現代醫學利用正電子發射計算機斷層掃描對腫瘤組織成像的基礎。這種方法使用葡萄糖的放射性示蹤劑,根據癌細胞的葡萄糖代謝情況來 " 點亮 " 癌細胞,幫助醫生精准定位。然而,FDG-PET 並不總能讓臨床醫生獲得他們想要的結果。

  論文的另一位通訊作者、范德堡大學醫學系主任 W. Kimryn Rathmell 表示:" 這麼多年來我一直對 PET 掃描結果是否准確抱有疑問。因為根據我對生物學的了解,我所研究的腎癌應該在 PET 成像中顯示高亮,但實際情況並非如此。到底是哪些細胞正在消耗葡萄糖,這個問題 Jeffrey 和我討論過許多次:是癌細胞,還是免疫細胞?它們是如何融合在一起的?你能想象得到我們討論得有多熱烈。"

  他們的兩名博士研究生 Bradley Reinfeld 和 Matthew Madden 接受了挑戰,並且得到了一些問題的答案。從概念上講,他們用了個簡單的辦法:對患有腫瘤的小鼠使用 PET 示蹤劑,然後將腫瘤組織分離出來,使用細胞表面標記蛋白和流式細胞儀將其按照細胞類型分類,接著測量細胞中的放射性。

  


  左起:Kimryn Rathmell, Bradley Reinfeld, Matthew Madden and Jeffrey Rathmell。圖片來源:Susan Urmy/VUMC

  研究小組使用了兩種不同的 PET 示蹤劑,一種用於追蹤葡萄糖,一種用於追蹤另一種細胞營養物質谷氨酰胺。他們還使用了包括結直腸癌、腎癌和乳腺癌在內的六種不同腫瘤模型。在每種情況下,他們發現髓系免疫細胞所攝取的葡萄糖最多,其次是 T 細胞和癌細胞。相較之下,消耗谷氨酰胺最多的則是癌細胞。

  Madden 對此表示:" 我們認為這是一種廣泛存在於各種癌症類型中的普遍現象。"

  進一步的研究發現,導致葡萄糖和谷氨酰胺攝取存在差異的並非營養物質不足,而是特定的細胞信號通路。這與腫瘤微環境中癌細胞與免疫細胞之間存在代謝競爭的主流觀點形成了鮮明對比。Madden 指出:" 人們一直認為是癌細胞消耗了所有的葡萄糖,因此導致免疫細胞無法獲得足夠的葡萄糖,從而無法發揮作用。我們的數據表明,營養供給並沒有受限。相反,細胞按程序消耗某些營養物質,且存在營養分配機制:癌細胞吸收谷氨酰胺和脂肪酸;免疫細胞吸收葡萄糖。"

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