西湖大学蔡尚团队Cell新作揭示乳腺癌转移新机制，历时5年研究证实「胞内菌」是肿瘤转移的驱动因素

近年来，乳腺癌发病率逐年上升且呈现年轻化趋势，成为威胁女性健康的第一大恶性肿瘤。

2020 年 12 月 15 日，世界卫生组织国际癌症研究机构（IARC）在官网发布的全球癌症负担数据显示，2020 年全球癌症新发病例约 1930 万例，其中，中国新发病例约 457 万例。在所有癌症类型中，乳腺癌新发病例占比达 11.7％，肺癌新发病例占比为 11.4％，乳腺癌新发病例首次超过肺癌，成为全球最常见的癌症。

我国乳腺癌发病率位居全球首位，同时，每年新发乳腺癌病例中约有 3%-8% 的患者在确诊时已经出现远端器官转移。影响乳腺癌转移的因素非常复杂，其机制也尚不明确，成为目前临床诊疗中面临的一大挑战。

（来源：Cell）

近日，西湖大学蔡尚团队发现并证实了乳腺癌组织中存在的 “胞内菌” 在肿瘤转移定植过程中所起的一系列关键作用。目前，这项研究成果已经在线发表于 Cell 杂志上。

“我们的研究表明肿瘤里面的细菌其实是一个菌群，不论是种类还是功能都呈现出多样性，对肿瘤带来很多影响。胞内菌群参与在到肿瘤的发展转移过程中，关注胞内菌群信息对于临床治疗、检测、预后起到关键作用，能够让我们的临床判断更加精准。” 西湖大学生命科学学院研究员、博士生导师蔡尚教授告诉生辉。

2003 年，蔡尚从北京大学生命科学院生物科学专业本科毕业，随后进入印第安纳大学生物化学系攻读博士学位，主要从事细胞分裂过程中纺锤体组装与染色体排列的分子机制的研究。2010 年，他进入斯坦福大学干细胞与再生医学研究所进行博士后研究工作，研究方向为成体干细胞及癌症干细胞的自我更新机制及分化途径。2017 年，蔡尚回国并加入西湖大学。

图｜西湖大学生命科学学院蔡尚（来源：受访者提供丨点击照片查看专家详细信息↑↑↑）

起源：胞内菌的发现和菌群鉴定

这项研究的初衷，“基于我五六年前在斯坦福做博士后时的一次关于‘何种基因影响乳腺癌肿瘤发展’的课题探讨。” 蔡尚表示。

据介绍，他们基于小鼠模型发现，通过抗生素（四环素）诱导剂敲掉某个基因以后，肿瘤的转移出现大幅下降；作为对照组，同样使用了该抗生素但是没有敲除基因，同样发现肿瘤的转移也出现大幅下降。

“在构建诱导敲除基因的小鼠模型时意外地发现无需敲除基因，而是加入抗生素诱导剂，肿瘤的转移就会受到影响。” 蔡尚说道。

先前有相关研究显示，可能是因为抗生素靶向细胞线粒体从而杀灭肿瘤细胞。“但这并不能解释我们在试验中看到的现象，因为在原位肿瘤里并没有观察到肿瘤的缩小，这说明抗生素起到的作用并非是直接杀灭肿瘤细胞。” 蔡尚指出，“我们意识到，使用的抗生素诱导剂除了诱导敲除基因以外，还有另一个重要的功能就是杀灭细菌。”

这也就意味着，肿瘤转移的大幅下降可能与抗生素杀灭细菌有关。基于此，蔡尚团队提出新的猜想，肿瘤细胞内部很可能存在细菌。

彼时，医学界很多人认为，人体有强大的自身免疫系统，一旦发现有细菌入侵免疫系统就会迅速将其消灭，因此，除了肠道肿瘤，人体的大多数器官的肿瘤都是无菌的。而 “胞内菌” 在肿瘤中的存在与否更是尚未证实。

直到 2020 年，国外的一篇 Science 研究论文发现，对大多数肿瘤而言，菌群的存在是一个普遍的现象，证实了细菌也是肿瘤的组成部分，它们位于肿瘤细胞质内，称为 “胞内菌”，正是因为这些细菌位于肿瘤细胞的内部才能够躲过人体免疫系统的攻击得以存活。

在接下来的试验中，蔡尚团队通过改良检测和染色方法，通过电子显微镜观察到了位于肿瘤细胞质内部的细菌，确定了菌群的位置以及生物量大小等一系列数据。

图｜胞内菌主要存在于肿瘤细胞质中（来源：Cell）

“我们对这些细菌做了非常详尽地分析，发现肿瘤内有很多种细菌的存在，确切地说其实是一个菌群。” 蔡尚指出。

据介绍，肿瘤内的细菌以革兰氏阳性菌为主，且主要为兼性厌氧菌。具体主要包括四种细菌，分别为肠球菌、链球菌、葡萄球菌和乳杆菌。“这四种细菌占了乳腺癌肿瘤菌群的 80% 左右。” 他指出。

探索：促进肿瘤细胞转移的机制

知道细菌存在，用什么方法证明这些细菌到底有没有功能？毕竟，小鼠体内除了肿瘤以外，其他如肠道、口腔、皮肤等都有大量细菌。

“通过抗生素把细菌杀死来证明细菌在肿瘤里面起作用的方式面临一个挑战：在使用抗生素的同时也把其他的细菌杀灭，因而无法证明是肿瘤里的细菌起作用，还是其他的细菌起作用。” 蔡尚指出。

没有现成的方法能够特异性地杀灭肿瘤里的细菌，这就需要开发新的方法，然后再进一步探讨这些细菌到底有什么作用。为了观察胞内菌对肿瘤的影响，蔡尚团队不断优化抗生素的处理方法，通过调节抗生素组合种类和输入方式的搭配，最终实现了 “定向” 杀灭肿瘤胞内菌群。

“我们清晰地观察到，在清除掉胞内菌群以后，肿瘤的生长没有受到任何影响，但是对转移过程有很大的影响。” 蔡尚表示。这意味着，胞内菌群影响的是肿瘤的转移过程。

基于这个发现，他们再次提出假设，胞内菌群会随着肿瘤细胞一起转移到其他器官。为了验证假设，他们对原位肿瘤、肉眼可见的肺转移灶、含有微小转移灶的肺组织以及正常的肺和乳腺组织进行细菌 16S 测序。试验发现，早期肺转移的细菌可能仍带有原位肿瘤菌群的特征，而随着肿瘤的生长、扩散渐渐受到肺部微环境的影响。这些结果表明，胞内菌参与了肿瘤细胞的转移。

图｜胞内菌对于肿瘤转移至关重要（来源：Cell）

“我们在 2017 年的时候开始关注这个问题，在肿瘤的发展转移过程中，细菌是一个旁观者还是一个驱动者？” 蔡尚说道，“首先需要了解肿瘤的转移机制。”

肿瘤细胞从原位的肿瘤里面脱离出来，并进入到血管中，然后随着血流在全身进行循环。对于小鼠模型而言，乳腺癌会首先转移到肺部，在肺部定植，然后生长、分裂，逐渐形成一个新的转移灶。

先前有相关研究表明，肿瘤细胞在脱离了原位的肿瘤进入到血管中会面临液流压力以及免疫系统的监视等，超过 99% 的肿瘤细胞会在通过血管到达远端的过程中死亡，最后存活下来的不足 1%，而这可能是机体的一种自我保护机制。

“但是我们发现，带有细菌的肿瘤细胞在穿过血管到达远端的时候，其生存能力大幅提高。通过对照组试验显示，生存能力提高达 5-10 倍。” 蔡尚指出。“后来我们研究发现，这些细菌进入肿瘤细胞以后会通过特定的信号通路（RhoA-ROCK）来重塑细胞骨架，可以帮助肿瘤来对抗外界压力。在这种情况下，被细菌入侵的肿瘤细胞变得更加强大，在远端定植的几率就会大幅增加。” 他补充说。

这就是为什么肿瘤细胞被细菌入侵之后转移能力大幅增强的一个原因，也是胞内菌对于肿瘤转移如何发挥的作用的阐释。“当然，我觉得这只是真正机制里面的其中之一，可能不是唯一的机制，也许还包含其他的因素会对这个过程造成影响。” 蔡尚指出。“未来，随着研究的不断深入，相信将会有越来越多的新发现，将会探索出胞内菌群其他的新功能。” 他补充说。

图｜胞内菌重组细胞骨架并促进抵抗机械应力（来源：Cell）

从提出问题、到猜想假设、再到试验验证，蔡尚团队一步一步地进行抽丝剥茧，不断地对产生的想法进行证实。关于这项研究，“我们优化了很多既有的方法，通过改进和优化试验方法让其能够适应我们想要解决的一系列问题。” 蔡尚表示。

这项研究发现了肿瘤微环境中长期被忽视的新机制，揭示了影响肿瘤转移的新因素，开拓了肿瘤研究的新方向，为接下来临床控制肿瘤转移提供了全新的视角。

既然抗生素能够靶向胞内菌来抑制肿瘤的转移，那是否可以在癌症早期使用抗生素预防转移呢？对此，蔡尚认为，“准确的来说，使用抗生素可以帮助预防由细菌介导的肿瘤转移。然而，肿瘤的转移其实是个综合效应，促进肿瘤细胞转移的因素非常多，我们的研究强调了胞内菌群对肿瘤转移有影响，但它并不是唯一因素。” 他说道。其他影响肿瘤转移的因素，比如基因突变、基因表达、蛋白的活性等等。

“这些都会对肿瘤转移带来或多或少的影响。所以，我们的研究揭示了杀灭肿瘤菌群可以控制肿瘤的转移，但并不代表可以完全防止肿瘤的转移。更严谨的说法是，这项研究可以帮助我们控制由细菌介导的肿瘤转移。” 蔡尚指出。

展望：为临床应用转化指明方向

谈及这项研究遇到的挑战，“主要在于需要搭建一个严谨的平台，对平台进行不断优化，进行严格地试验对照，从而判定出现象的真假。整个试验都需要去搭建平台、优化平台，让平台变得更灵敏、更准确，然后更扎实的证明想证明的这些论点。” 蔡尚指出。

比如，肿瘤里虽然存在细菌，但是它的量其实是比较低，在这样的一个非常低生物量的情况下，如何进行检测成为一个难题，很难确定它是肿瘤里存在的还是在操作过程中引入的。“所以，我们优化了试验方法和试验平台，进一步提升实验的敏感度，达到‘千里挑一’，即 1000 个细胞里面有一个含细胞含有细菌就能检测出来。” 他说道。

优化了这些方法以后，就能够对细菌进行测序、分析菌群的组成，还可以进行培养、鉴定。试验发现，测序分析得到的菌群的组成和分离培养出来菌群的组成非常吻合。“这意味着我们的试验方法的准确性非常高。” 蔡尚指出。

蔡尚团队通过小鼠自发乳腺癌模型（MMTV-PyMT）构建肿瘤菌群研究体系，以此探索肿瘤微生物在肿瘤发展中的作用。值得一提的是，这种小鼠自发乳腺癌模型能够模拟人体乳腺癌的发生、发展，在疾病发生机理研究、药物新靶点发现，以及临床前药效学评价等方面具有重要的理论价值和临床意义。

“但是我们的研究也存在一些局限性。” 蔡尚表示，“目前，我们还没有大量的人群数据来证明这些肿瘤胞内菌群在人体内发挥的作用是否和小鼠一样，亦或是有更多其他功能。今后很重要的一个研究方向，就是在人群的分析上面去收集大量人群数据，肿瘤菌群的动态、分布、生物量，以及与临床数据之间的关联性，然后从中解析肿瘤菌群在人类癌症进展过程里发挥何种作用。” 他补充说。

未来，另外一个研究方向，是需要设计不同的方法来杀灭或干扰这些胞内菌群。“抗生素只是清除掉这些肿瘤菌群的一种方法。但是人类使用抗生素面临着非常多的复杂性，不能简单的认为抗生素就一定会让患者获益。究竟怎样才能够最大程度清除掉这些菌群让患者真正获益，是需要大量的临床数据的研究来进一步进行证实。” 蔡尚指出。

（来源：Pixabay）

对于这项研究发现的转化，蔡尚表示，“我们现在的研究尚处于一个基础研究的状态，具有转化潜力。我们的专长是挖掘一些现象的新机制，找到新的科研方向，发现被大家忽视的一些因素，为临床以及转化指明方向。” 他说道。

在蔡尚看来，这项发现只是在乳腺癌研究领域 “打开了一扇小窗”，“这一领域还有着许多机制尚未揭示，加之而且抗生素的临床使用也存在很多限制，如何利用这一发现指导临床应用是一个复杂而迫切的问题，接下来还需要更多科研工作者去进行大量基础而扎实的工作。” 他说道。

参考资料：

• https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00260-4
  

• https://www.science.org/doi/10.1126/science.aay9189

• https://www.westlake.edu.cn/about/faculty/CONTACT_Members/202006/t20200617_5867.shtml

• https://www.westlake.edu.cn/news_events/westlakenews/academics/202204/t20220407_19722.shtml

-End-

---

【往期】