己糖激酶2在肿瘤相关巨噬细胞中感知果糖以促进结直肠癌的生长

2024-11-10 Sun
果糖通过调节肿瘤相关巨噬细胞的极化促进结直肠癌生长引言近年来，果糖摄入量在全球范围内急剧增加，与肥胖和代谢综合征密切相关，而这些病症是公认的癌症发展风险因素。尽管先前研究已表明果糖通过其代谢促进肿瘤细胞增殖和转移，但其在肿瘤免疫微环境中的具体作用尚未完全阐明。肿瘤相关巨噬细胞（Tumor-Associated Macrophages，TAMs）在结直肠癌的免疫微环境中具有双重功能，可通过促炎性M1样极化抑制肿瘤增长，或通过免疫抑制性M2样极化促进肿瘤生长。本研究由中国科学院生物物理研究所、温州医科大学、北京军区总医院等多家研究机构的研究团队完成，主要探索果糖在调节肿瘤相关巨噬细胞极化方面的作用，并揭示果糖如何通过抑制M1样TAM的极化而促进结直肠癌的进展。
研究背景及目的随着果糖摄入量增加，近年来的研究逐渐揭示出果糖在促进肿瘤生长中的潜在作用。然而，大多数研究集中于果糖对肿瘤细胞的直接影响，而其对肿瘤免疫微环境中TAMs的影响尚不清楚。本研究旨在揭示果糖对结直肠癌中TAMs极化的影响机制，以进一步阐明其在肿瘤免疫调节中的作用。
研究方法研究流程概述动物模型的建立：研究使用结直肠癌小鼠模型，包括自发性腺瘤模型（APCmin/+小鼠）和异位肿瘤模型，来探讨果糖对肿瘤微环境和肿瘤生长的影响。
果糖对TAMs极化的影响：通过荧光流式细胞术分析肿瘤浸润的免疫细胞比例，重点关注M1样和M2样TAMs的比例变化，并通过免疫荧光染色检测M1样TAMs的分布。
体外巨噬细胞诱导：构建体外骨髓源性巨噬细胞（BMDM）诱导系统，利用葡萄糖或果糖培养基培养BMDM，比较果糖对M1样TAMs极化的直接抑制作用。
关键分子机制分析：利用免疫共沉淀和质谱分析，揭示果糖通过调节己糖激酶2（Hexokinase 2, HK2）与肌醇三磷酸受体3（Inositol 1,4,5-Trisphosphate Receptor Type 3, ITPR3）的相互作用，影响巨噬细胞的钙离子流动。
转运体GLUT5的作用验证：通过基因敲除技术生成GLUT5条件性敲除小鼠，以验证果糖通过GLUT5转运并作用于巨噬细胞的极化调控。
主要实验步骤及分析果糖对小鼠结直肠癌生长的促进作用：研究采用含25%高果糖玉米糖浆（HFCS）的小鼠模型，发现长期果糖摄入显著增加了结直肠癌小鼠肿瘤中M1样TAM的比例，且未引起肥胖或代谢综合征。
果糖对肠道微生物群的影响：通过16S rDNA测序分析果糖摄入对肠道菌群的影响，结果显示HFCS小鼠组中若干菌种的丰度发生显著变化。
果糖对M1样TAM极化的抑制作用：通过流式细胞术分析，HFCS处理显著降低了结直肠癌模型中的M1样TAM比例，表明果糖对TAM极化具有抑制作用。
骨髓源性巨噬细胞的体外果糖处理：利用6mM果糖处理BMDM，观察到果糖显著抑制了促炎性因子（如IL-1β、TNF-α、IL-6等）的表达，未对M2样巨噬细胞产生显著影响。
GLUT5转运体的验证：通过GLUT5敲除小鼠和体外实验确认果糖通过GLUT5进入巨噬细胞，进而对TAM极化产生影响。
HK2与ITPR3的相互作用：免疫共沉淀实验表明果糖可促进HK2与ITPR3的相互作用，从而抑制钙离子从内质网向线粒体转移，这一过程对M1样TAM极化具有抑制作用。
研究结果果糖通过抑制M1样TAM极化促进肿瘤生长：HFCS小鼠模型显示果糖显著减少了肿瘤中的M1样TAM比例，且增加了大腺瘤的数量，提示果糖可能通过抑制M1样巨噬细胞的抗肿瘤作用来促进肿瘤生长。
果糖对TAM极化的直接抑制：在体外BMDM诱导系统中，果糖处理显著抑制M1样TAM的促炎因子表达，而未影响M2样TAM的标记物表达。
HK2和ITPR3的作用机制：HK2与ITPR3的相互作用导致钙离子在细胞内的传递受阻，抑制了MAPK和STAT1信号通路的激活，进而抑制了M1样TAM的极化。
果糖转运依赖于GLUT5：GLUT5敲除小鼠模型表明，GLUT5是果糖进入巨噬细胞并发挥其极化调控作用的关键转运体。
临床相关性分析：分析结直肠癌患者肿瘤浸润的免疫细胞的单细胞RNA测序数据，结果显示GLUT5在TAM中的高表达与晚期结直肠癌患者较差的临床预后显著相关。
研究意义与价值该研究首次揭示果糖作为一种信号分子而非代谢物，在调节巨噬细胞极化及肿瘤免疫微环境中的关键作用。果糖通过促进HK2与ITPR3的相互作用，抑制M1样TAM的极化，使肿瘤生长获得更多支持性免疫环境。由于GLUT5在巨噬细胞中的高度表达，本研究还提示了GLUT5作为结直肠癌进展相关标志物的潜在临床应用价值。
本研究不仅在理论上丰富了人们对果糖在肿瘤进展中的作用机制的理解，同时也提示了潜在的临床干预策略，如通过靶向GLUT5或阻断HK2-ITPR3相互作用，有望改善结直肠癌的临床治疗效果。此外，研究还为进一步探索果糖在其他癌症类型中的作用提供了重要思路，具有广泛的应用前景。