色氨酸2,3-双加氧酶阳性基质成纤维细胞通过犬尿氨酸介导的铁死亡抵抗和T细胞功能障碍促进乳腺癌肺转移
乳腺癌肺转移中的基质成纤维细胞作用机制研究
背景介绍
乳腺癌是全球女性中最常见的癌症之一，而转移是导致乳腺癌患者死亡的主要原因。肺是乳腺癌最常见的转移部位之一，但其转移机制尚未完全阐明。肿瘤转移的过程不仅涉及肿瘤细胞本身的特性，还与其所处的微环境密切相关。近年来，越来越多的研究表明，肿瘤微环境中的基质细胞，尤其是成纤维细胞，在肿瘤转移中扮演着重要角色。然而，关于这些成纤维细胞在肺转移中的具体作用及其异质性，仍有许多未解之谜。
本研究旨在揭示乳腺癌肺转移过程中基质成纤维细胞的异质性，并探讨其在肺转移形成中的具体作用。通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）等技术，研究人员发现了一类特定的基质成纤维细胞亚群，这些细胞通过色氨酸代谢产物——犬尿氨酸（kynurenine, Kyn）介导的机制，帮助转移性肿瘤细胞抵抗铁死亡（ferroptosis），并抑制T细胞功能，从而促进肺转移的形成。
论文来源
该研究由来自Chongqing Medical University、Emory University School of Medicine、Cedars-Sinai Medical Center等多个机构的科研团队合作完成。研究团队由Manran Liu教授领导，主要作者包括Yongcan Liu、Shanchun Chen等。该论文于2024年8月21日发表在Cancer Communications期刊上，DOI为10.1002/cac2.12608。
研究流程与结果
1. 研究流程
a) 乳腺癌肺转移模型的建立
研究人员通过反复注射从肺中纯化的转移性细胞，建立了乳腺癌肺转移的小鼠模型。使用荧光素酶标记的4T1和E0771小鼠乳腺癌细胞系，通过体内选择方法获得了肺转移倾向性较高的细胞系（4T1-lm3和E0771-lm3）。这些细胞系被用于后续的转移实验。
b) 单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析
为了研究肺转移微环境中成纤维细胞的异质性，研究人员从不同转移阶段（正常、预转移、微转移和宏转移）的小鼠肺组织中分离出成纤维细胞，并进行单细胞RNA测序。通过10x Genomics平台，研究人员获得了42,348个高质量细胞的转录组数据，并通过Seurat软件对这些数据进行了分析。
c) 成纤维细胞亚群的鉴定与功能分析
通过单细胞RNA测序，研究人员鉴定出三种主要的成纤维细胞亚群：基质成纤维细胞（Matrix Fibroblasts, MFs）、肌成纤维细胞1（Myofibroblasts-1, Myof1）和肌成纤维细胞2（Myofibroblasts-2, Myof2）。其中，MFs是主要的亚群，且随着转移的进展，其转录组特征发生了动态变化。
d) MFs在肺转移中的作用
为了验证MFs在肺转移中的具体作用，研究人员使用条件性基因敲除小鼠模型，特异性敲除MFs中的色氨酸2,3-双加氧酶（TDO2）。通过体内实验，研究人员发现，TDO2的缺失显著减少了肺转移的负担，并延长了小鼠的生存期。
2. 主要结果
a) 成纤维细胞亚群的动态变化
研究发现，MFs在肺转移的各个阶段都占据主导地位，且其转录组特征随着转移的进展而动态变化。特别是在预转移阶段，MFs表现出强烈的炎症反应和趋化因子信号通路激活，而在宏转移阶段，这些信号通路进一步增强。
b) MFs通过TDO2-Kyn轴促进肺转移
研究人员发现，MFs高表达TDO2，并通过TDO2催化色氨酸代谢生成Kyn。Kyn不仅帮助转移性肿瘤细胞抵抗铁死亡，还通过抑制T细胞功能，促进肿瘤细胞的免疫逃逸。通过条件性敲除TDO2，研究人员证实了TDO2-Kyn轴在肺转移中的关键作用。
c) TDO2-Kyn轴对铁死亡的影响
进一步的研究表明，TDO2high MFs通过Kyn上调铁蛋白重链1（Ferritin Heavy Chain 1, FTH1）的表达，从而增强转移性肿瘤细胞对铁死亡的抵抗能力。这一发现为理解肿瘤细胞在肺转移微环境中的生存机制提供了新的视角。
结论与意义
本研究揭示了TDO2阳性基质成纤维细胞在乳腺癌肺转移中的关键作用。通过TDO2-Kyn轴，这些成纤维细胞不仅帮助转移性肿瘤细胞抵抗铁死亡，还通过抑制T细胞功能促进肿瘤的免疫逃逸。这一发现为开发针对肺转移的新型治疗策略提供了重要的理论依据。
研究亮点
- 成纤维细胞异质性的揭示：通过单细胞RNA测序，研究人员首次系统性地揭示了肺转移微环境中成纤维细胞的异质性及其动态变化。
- TDO2-Kyn轴的发现：研究首次发现TDO2阳性基质成纤维细胞通过Kyn介导的机制，帮助转移性肿瘤细胞抵抗铁死亡，并抑制T细胞功能。
- 潜在的治疗靶点：TDO2-Kyn轴的发现为开发针对肺转移的新型治疗策略提供了潜在靶点，具有重要的临床应用价值。
其他有价值的信息
研究还发现，TDO2的表达与乳腺癌患者的肺转移生存率呈负相关，提示TDO2可能作为预测肺转移风险的生物标志物。此外，研究团队开发的条件性基因敲除小鼠模型为未来研究成纤维细胞在肿瘤转移中的具体作用提供了有力的工具。
本研究不仅深化了我们对乳腺癌肺转移机制的理解，还为开发新的治疗策略提供了重要的理论依据和实验工具。