2023-03-22

Nature | PET结合电镜发现线粒体网络亚群控制肿瘤生物能量

原创 M. B. 图灵基因 2023-03-22 10:11 发表于江苏

撰文：M. B.

IF=69.504

推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐

亮点：

1、对肿瘤进行高分辨率的扫描，编译连续图像创建生成3D肿瘤体积。

2、在NSCLC中，线粒体网络被划分为不同的亚群控制肿瘤的生物能量。

3、葡萄糖通量可调节肿瘤细胞中的线粒体运动，葡萄糖通量抑制导致I型嵴显著增加。

关键词

非小细胞肺癌（Non-small cell lung cancer, NSCLC）；正电子发射断层扫描（Positron emission tomography, PET）；氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation, OXPHOS）；肺腺癌（Lung adenocarcinoma, LUAD）；肺鳞状细胞癌（Lung squamous cell carcinoma, LUSC）

近日，美国加利福尼亚州加州大学的Mark H. Ellisman团队在《Nature》杂志上发表了名为“Spatial mapping of mitochondrial networks and bioenergetics in lung cancer”的文章。线粒体对癌细胞代谢和生物能量学的控制至关重要。线粒体形成高度组织化的网络，其中它们的外膜结构和内膜结构定义了它们的生物能量能力。然而，描述线粒体网络结构组织与生物能量活性之间关系的体内研究一直有限。在此，作者使用由正电子发射断层扫描成像、呼吸量测定和三维连续块面电子显微镜组成的集成平台，对非小细胞肺癌（Non-small cell lung cancer, NSCLC）的线粒体网络和生物能量表型进行了体内结构和功能分析，发现线粒体网络在肿瘤细胞内被分隔成不同的隔室。结果表明，在NSCLC中，线粒体网络被划分为不同的亚群，这些亚群控制着肿瘤的生物能量。

非小细胞肺癌（Non-small cell lung cancer, NSCLC）是组织学，遗传学和代谢水平上的异质性疾病。线粒体是细胞能量和新陈代谢的重要调节部位，在维持肿瘤细胞的生长和存活方面起着关键作用。线粒体组织成动态网络，使得其外膜和内膜结构决定了细胞电子传递链（Electron transport chain, ETC）活动和呼吸能力。然而，目前对线粒体网络如何在NSCLC患者体内水平上进行结构和功能的调节的理解是有限的。

为了更好地了解NSCLC中的线粒体生物能量学，作者开发并验证了一种电压敏感的正电子发射断层扫描（Positron emission tomography, PET）示踪剂，称为[18F]4-氟苄基三苯基膦（[18F]4-fluorobenzyl triphenylphosphonium, [18F]FBnTP）。这种示踪剂能够测量NSCLC中鼠类肉瘤病毒癌基因（Kirsten rat sarcoma viral oncogene, KRAS）驱动的小鼠模型中线粒体膜电位（ΔΨ）的相对变化。

1、非小细胞肺癌（Non-small cell lung cancer, NSCLC）中氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation, OXPHOS）的体内分析

为了评估NSCLC中的OXPHOS，作者使用放射性示踪剂[18F]4-氟苄基三苯基膦（[18F]4-fluorobenzyl triphenylphosphonium, [18F]FBnTP）和[18F]氟脱氧葡萄糖（[18F]-fluorodeoxyglucose, [18F]FDG）偶联肺部肿瘤正电子发射断层扫描（Positron emission tomography, PET）成像，对线粒体复合物I和II活性进行离体呼吸量测定分析。

[18F]FBnTP 用于比较线粒体膜电位（ΔΨ）的相对变化，[18F]FDG用于测量葡萄糖流量。结果显示基因工程小鼠模型（Genetically engineered mouse models, GEMM）中，Lkb1的失活驱动肺腺癌（Lung adenocarcinoma, LUAD）和肺鳞状细胞癌（Lung squamous cell carcinoma, LUSC）亚型的发展。作者通过表面活性剂蛋白C（Surfactant protein C, SP-C）、葡萄糖转运蛋白1（Glucose transporter 1, GLUT1）和细胞角蛋白5（Cytokeratin 5, CK5）染色验证LUAD和LUSC的组织学，也证实了肿瘤亚型。总的来说，结果表明[18F]FBnTP摄取与人和小鼠NSCLC中线粒体复合物I和II的活性直接相关。

2、正电子发射断层扫描（Positron emission tomography, PET）引导下非小细胞肺癌（Non-small cell lung cancer, NSCLC）的三维连续块面电子显微镜（Three-dimensional serial block-face electron microscopy, 3D SBEM）成像

为了观察同一肿瘤中不同的线粒体网络结构组织，作者开发了一种工作流程，将功能性PET成像与显微计算机断层扫描和超分辨率三维连续块面电子显微镜配对，能够形成全肿瘤成像。通过成像确定了每个肿瘤内的高放射性示踪剂摄取与低放射性示踪剂摄取区域。接下来对肿瘤进行高分辨率的扫描，并编译连续图像生成3D SBEM肿瘤体积。生成3D肿瘤体积后，作者根据细胞形态特征对每种细胞类型进行了细胞分割和标记，在LUSC中，鉴定出的主要免疫细胞类型是中性粒细胞，而在LUAD中巨噬细胞最为主要，这些结果与先前的研究工作一致。

3、线粒体的空间和结构映射

2D SBEM图像中的线粒体在LUAD和LUSC中表现出相似的表型，这些图像准确地体现了线粒体的横截面视图，然而并没有表征线粒体网络的高阶组织。线粒体网络的3D渲染（红色显示）确定了明显的表型差异，其中LUAD细胞主要具有细长的线粒体，而LUSC细胞主要具有碎片化的线粒体，表明肿瘤的3D渲染确定了LUAD和LUSC细胞线粒体之间结构和空间分布的差异。

分辨率为5-6 nm的SBEM成像不仅能够研究线粒体动力学，而且能够研究线粒体内膜形成的嵴超微结构。作者将哺乳动物细胞中描述过的三种主要结构归类为I型（高度有序的层状嵴），II型（稀疏和杂乱无章的嵴），III型（浓缩嵴）。嵴型定量显示，OXPHOS率高的LUAD细胞具有Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型嵴的混合群体，OXPHOS率低的鳞状细胞癌细胞富集了III型嵴，而I型嵴显著减少，同时作者发现肿瘤细胞始终缺乏高度有序的I型嵴。

4、线粒体运动的葡萄糖调节

作者在高代谢的鳞状细胞癌细胞中提出了一个模型，高葡萄糖通量会抑制线粒体运动。因此作者测量了高代谢、糖酵解的RH2和Tu686细胞系与糖酵解较少的H1975和A549细胞系在基础水平和抑制葡萄糖通量后的线粒体运动，结果发现与RH2和Tu686细胞相比，H1975和A549细胞的基础葡萄糖摄取和细胞外酸化率显著增加，而线粒体运动显著降低，且葡萄糖摄取的抑制会诱导RH2和H1975细胞中线粒体运动的增加，表明葡萄糖通量调节肿瘤细胞中的线粒体运动。然后，对线粒体网络的重塑进行研究发现，葡萄糖通量的抑制诱导细胞中I型嵴的显著增加和III型嵴的减少。

技术路线

总之，作者对小鼠和人类NSCLC肿瘤的线粒体网络和生物能量表型进行了体内结构和功能的分析。强调了NSCLC肿瘤亚型之间生物能量活性的多样性。并且作者在LUAD细胞和LUSC细胞之间发现的功能多样性准确地预测了肿瘤亚型中不同结构的线粒体表型，鉴定的线粒体结构的广泛多样性与组织学亚型中多样化的生物能量特征和代谢依赖性相关。利用肺癌亚型特有的生物能量和代谢特征，定义线粒体结构与代谢依赖性之间的结构—功能关系可能有望作为一种新兴的诊断和治疗策略。

教授介绍

Mark H. Ellisman，加州大学圣地亚哥分校神经科学与生物工程教授，加州大学圣地亚哥分校生物系统研究中心的创始主任，国家显微镜和成像研究中心（National Center for Microscopy and Imaging Research, NCMIR）主任。Ellisman教授于1988年成立了NCMIR，通过开发3D光学和电子显微镜方法，更好地了解神经系统的结构和功能。作为美国医学和生物工程研究所的创始研究员，Ellisman教授获得了许多奖项，包括美国国立卫生研究院的Jacob Javits神经科学研究奖和美国国家科学基金会的创造力奖。

参考文献

Han M et al. “Spatial mapping of mitochondrial networks and bioenergetics in lung cancer” Nature. Mar 15 2023. doi: 10.1038/s41586-023-05793-3.