通過冷刺激改變的整體代謝，棕色脂肪介導(dǎo)腫瘤抑制
 
曹教授課題組研究各種疾病中血管生成的基本機制，這是血管形成的關(guān)鍵過程。目標是了解血管生成在最常見和致命的人類疾病(如癌癥、代謝性疾病和心血管疾病)的發(fā)病和進展中的分子和功能機制。

背景部分介紹：
代謝改變是癌癥和惡性細胞的標志之一，惡性細胞經(jīng)常重編程代謝以促進其生長、增殖、遷移和生存。大多數(shù)癌癥所共有的代謝改變的一個顯著特征是葡萄糖的高攝取，并通過發(fā)酵代謝產(chǎn)生乳酸。在有氧條件下，癌細胞利用葡萄糖-發(fā)酵-乳酸途徑以ATP的形式利用能量。與健康細胞線粒體中的葡萄糖wan全氧化相比，腫瘤細胞中以葡萄糖為基礎(chǔ)的有氧糖酵解的速率加快了10-100倍，且超過70%的人類癌癥顯示糖酵解基因的擴增表達。葡萄糖攝取是有氧糖酵解的一個限速步驟，由癌細胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(GLUTs)介導(dǎo)。隨著腫瘤的生長，缺氧變得明顯，缺氧通過缺氧誘導(dǎo)因子-1α (HIF-1α)觸發(fā)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控上調(diào)GLUT1, GLUT1是癌細胞中關(guān)鍵的GLUT表達。
BAT是一種通過產(chǎn)生熱量來消耗能量的特殊組織。冷適應(yīng)、飲食和藥物引發(fā)的交感神經(jīng)激活誘導(dǎo)BAT激活和白色脂肪組織(WAT)轉(zhuǎn)化為棕色樣表型。因此，活化的BAT和褐化的WAT通過非寒顫產(chǎn)熱(NST)產(chǎn)生熱量，這是由線粒體內(nèi)膜中表達的解偶聯(lián)蛋白1 (UCP1)介導(dǎo)的。越來越多的證據(jù)表明，葡萄糖有助于BAT產(chǎn)熱，而基因敲低Glut1和Glut4或己糖激酶明顯損害代謝。BAT導(dǎo)的NST是肥胖和糖尿病動物減輕體重和改善代謝功能障礙的有效能量消耗機制。由于成人中存在大量的BAT組織質(zhì)量，因此推測激活BAT產(chǎn)熱作用將為治療肥胖和2型糖尿病提供一種有吸引力的方法。
在該研究中，作者發(fā)現(xiàn)冷刺激誘導(dǎo)的BAT激活顯著抑制了依賴于UCP1產(chǎn)熱作用的各種實體腫瘤的生長。BAT的去除和Ucp1基因的缺失恢復(fù)了冷刺激下腫瘤的生長速度。作者提供了NST觸發(fā)的腫瘤抑制機制的見解。最后，提供了在成年健康人和輕度寒冷暴露的癌癥患者中BAT激活的初步發(fā)現(xiàn)。低溫暴露也顯著降低了人類腫瘤中的葡萄糖攝取。該發(fā)現(xiàn)為癌癥治療提供了一個概念，并將為癌癥患者提供實質(zhì)性的臨床益處。

主要結(jié)果部分：
1. 冷刺激表型：抑制異種移植和遺傳自發(fā)腫瘤生長，延長荷瘤小鼠的總生存期并改變TME（腫瘤微環(huán)境）

a: 將結(jié)腸癌進行小鼠皮下移植，分別經(jīng)過30°和4°生長，發(fā)現(xiàn)冷刺激（4°）下，腫瘤體積相對較?。?br style="box-sizing: border-box;"/>b：經(jīng)過生存曲線分析，發(fā)現(xiàn)冷刺激下荷瘤小鼠生長周期明顯較長；
c-d：為了研究在30°C熱中性和4°C冷暴露條件下TME的變化，使用多種標記進行免疫組織化學(xué)分析，檢測各種細胞成分。發(fā)現(xiàn)低溫改善了結(jié)直腸癌腫瘤的缺氧，腫瘤微血管的密度也顯著降低，Ki-67測量的腫瘤細胞的增殖率受到顯著抑制，但細胞凋亡未見明顯變化；
e-f：乳腺癌及腸腺瘤抑制得到相似結(jié)果。

2. 冷刺激使荷瘤小鼠的BAT活化增加和葡萄糖攝取向BAT轉(zhuǎn)變

a：在30°C和4°C條件下，首先H&E染色發(fā)現(xiàn)4°下， 結(jié)腸癌（crc）荷瘤小鼠的BAT產(chǎn)生了多室的結(jié)構(gòu)；對荷瘤小鼠的UCP1（產(chǎn)熱相關(guān)重要基因）、COX4（線粒體內(nèi)的一種酶）和CD31（代表微血管密度）進行組織學(xué)和免疫熒光染色發(fā)現(xiàn)均有顯著升高；
b-d：接下來，通過PET-CT成像分析測量荷瘤小鼠各器官對18f-氟脫氧葡萄糖(18F-FDG)的攝取，在30°C下，18F-FDG分布主要在腫瘤中積累，在BAT中發(fā)現(xiàn)了適度的信號，然而，4°C下顯著刺激了18F-FDG在肩胛骨間BAT (iBAT)中的分布，盡管不同溫度下腫瘤大小大致相等，但在腫瘤中幾乎檢測不到18F-FDG信號
e：值得注意的是，在異種移植和自發(fā)腫瘤模型中，冷刺激荷瘤小鼠空腹血糖水平顯著降低；
f：胰島素和葡萄糖耐受試驗顯示，在冷暴露條件下，異種移植物和自發(fā)腫瘤模型的胰島素敏感性和快速葡萄糖清除明顯改善。

3. 去除BAT：消除冷刺激引起的腫瘤抑制

為了確定BAT激活在腫瘤抑制中的作用，接下來對荷瘤小鼠進行了手術(shù)切除BAT：
a：有趣的是，去除BAT可顯著提高4°C下的血糖水平；
b：重要的是，BAT的去除幾乎消除了冷刺激對腫瘤的抑制作用；相比之下，在30°C下，BAT去除對腫瘤生長沒有影響；
c：在MMTV-PyMT乳腺癌荷瘤小鼠中也去除BAT，發(fā)現(xiàn)wan全消除了冷刺激誘導(dǎo)的腫瘤抑制
d：在相同腫瘤大小的情況下，通過去除BAT，乳腺癌中冷刺激減少的18F-FDG攝取wan全被中和，BAT與30°C暴露組沒有區(qū)別；
e-f：BAT的去除也消除了腫瘤缺氧、血管生成和腫瘤細胞冷刺激增殖的減少。

4. 冷刺激后: BAT糖酵解代謝增加mTOR信號活化增加, 腫瘤中相反

通過刪除BAT來消除冷誘導(dǎo)的腫瘤抑制，這表明BAT在冷條件下的激活可能會改變腫瘤代謝。為了研究這種可能性，作者使用了基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)方法。
a：RNA-seq和基因富集分析顯示，冷刺激的結(jié)直腸癌腫瘤的糖酵解和脂質(zhì)代謝均減弱；
b：詳細的代謝組學(xué)分析顯示，冷刺激的結(jié)直腸癌荷瘤小鼠的BAT糖酵解顯著增加；
c：相比之下，關(guān)鍵的糖酵解成分在冷刺激的腫瘤中顯著減少；
d：特別是，在冷刺激的腫瘤中，Glut1、Glut4和Glut7等GLUTs的水平顯著降低，相比之下，低溫暴露下BAT中Glut4和糖酵解相關(guān)基因顯著升高；
e-f：與抑制腫瘤糖酵解一致，CRC腫瘤中磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)、AKT和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的激活也被冷暴露顯著抑制。

5. 高糖喂養(yǎng)和UCP1缺乏消除了冷刺激引起的腫瘤抑制

為了驗證腫瘤和活化BAT之間的血糖競爭假說是否是冷誘導(dǎo)腫瘤生長抑制的關(guān)鍵，作者在實驗環(huán)境中實施了高糖喂養(yǎng)。
a：有趣的是，給crc -荷瘤小鼠喂食15%葡萄糖可以消除冷暴露對腫瘤的抑制作用；
b：為了進一步闡明高糖喂養(yǎng)在腫瘤生長恢復(fù)中的可能機制，分析了低溫暴露下CRC腫瘤中GLUT1的表達。有趣的是，在4°C時，高糖喂養(yǎng)將葡萄糖攝取恢復(fù)到與30°C高糖喂養(yǎng)組沒有區(qū)別的水平；
c：值得注意的是，高糖喂養(yǎng)通過磷酸化顯著增強PI3K和AKT的激活，以及GLUT1在冷刺激腫瘤中的表達；
d：由于UCP1是脂肪組織中負責(zé)NST的關(guān)鍵線粒體蛋白，在腫瘤實驗中使用了UCP1敲除小鼠。如所料，刪除UCP1基因消除了這種作用。UCP1基因缺失消除了冷刺激對腫瘤的抑制作用；
e：PET-CT掃描分析顯示冷暴露BAT無明顯葡萄糖攝取。

6. 研究成果對人體的適用性：癌癥患者中的BAT激活

為了在各種動物模型中研究該發(fā)現(xiàn)與人類的相關(guān)性，作者在健康人類和癌癥患者中進行了可耐受的低溫刺激。研究招募了健康志愿者(3男3女，年齡在22至25歲之間)。這些健康個體穿著非常輕薄的衣服，每天處于在16°C的微冷環(huán)境中2-6小時，連續(xù)14天。
a：PET掃描分析顯示，男性和女性組的一些個體在鎖骨上、頸椎和胸骨旁區(qū)域的雙側(cè)區(qū)域表現(xiàn)出明顯的BAT激活；
接下來，作者對一名18歲的霍奇金淋巴瘤患者進行了初步研究。本研究時，該患者已接受阿霉素、博來霉素、長春花堿、達卡巴嗪聯(lián)合化療5個周期。研究是在第五個化療周期進行的?；颊叽┲p薄的衣服，處于22°C的微冷環(huán)境中7天。
b：PET-CT掃描顯示雙側(cè)鎖骨上、頸椎和胸骨旁區(qū)域有大量的BAT，并隨著大量攝入18F-FDG而激活；然而，將該患者暴露在28°C環(huán)境中4天顯著降低了18F-FDG的攝取和BAT的激活；
c-f：CT影像分析證實縱膈區(qū)存在淋巴瘤，這表明在溫暖暴露期間顯著減輕了18F-FDG的吸收。

冷刺激抑制腫瘤的機制示意圖 

在熱中性溫度下，癌細胞主要通過糖酵解獲得能量，即糖酵解Warburg效應(yīng)。腫瘤中的血管生成血管提供足夠的葡萄糖供腫瘤消耗。WAT脂肪細胞(WAs)和BAT脂肪細胞(BAs)都保持代謝惰性，沒有顯著的葡萄糖攝取和產(chǎn)熱活性。糖酵解產(chǎn)生的ATP分子和其他代謝物支持腫瘤細胞高速增殖。在寒冷的環(huán)境下，sWAT和BAT經(jīng)歷褐變過程，顯著增加葡萄糖攝取和產(chǎn)熱。由于活化的BAT和sWAT中葡萄糖攝取升高，腫瘤中的葡萄糖攝取顯著減少。因此，低溫暴露下的腫瘤生長通過幾種可能的機制受到抑制:
1) 由于激活BAT和WAT中的葡萄糖再分配，腫瘤中葡萄糖供應(yīng)減少；
2) 緩解腫瘤缺氧：由于糖酵解有限，酸中毒和腫瘤缺氧減少；此外，腫瘤生長緩慢也減輕了腫瘤缺氧；通過冷暴露緩解腫瘤缺氧也會降低GLUTs的表達水平，GLUTs是葡萄糖攝取的限制因素;
3) 脂質(zhì)代謝物對糖酵解的合理抑制。

最后，對于該研究，優(yōu)寧維生物在這里做了相關(guān)的研究流程圖（如下），希望有助于大家更好的理解本文。
研究流程圖

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