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为探究肿瘤细胞在 3D 环境下的代谢表型及调控因素，研究人员聚焦 Cxcl5，发现其对肿瘤代谢重编程等至关重要，为靶向治疗提供依据。
肿瘤，这个医学界的 “头号难题”，一直以来都让科研人员和医生们绞尽脑汁。肿瘤的发生发展是一个极其复杂的过程，其中肿瘤微环境（Tumor Microenvironment，TME）起着关键作用。TME 就像一个 “大染缸”，里面不仅有癌细胞，还有免疫细胞、成纤维细胞、内皮细胞等各种细胞，以及细胞外基质（Extracellular Matrix，ECM）、缺氧、营养物质等非细胞因素。这些因素相互作用，共同影响着肿瘤的生长、转移和对治疗的反应。
在肿瘤微环境中，癌细胞的代谢方式会发生改变，这一现象被称为代谢重编程（Metabolic Reprogramming）。代谢重编程就像是癌细胞的 “生存秘籍”，它能让癌细胞在恶劣的环境中获取足够的能量和物质，维持自身的生长和增殖。然而，目前对于肿瘤细胞在三维（3D）环境下的代谢表型，以及调控这些代谢变化的内在因素，我们知之甚少。这就好比在黑暗中摸索，我们虽然知道前方有宝藏（攻克肿瘤的方法），但却找不到路。
为了揭开这些谜团，韩国科学技术院（KAIST）等机构的研究人员开展了一项深入的研究。他们的研究成果发表在《Cell Death & Differentiation》杂志上，为我们理解肿瘤的发生发展机制提供了新的视角，也为肿瘤治疗开辟了新的方向。
研究人员在本次研究中用到了多个关键技术方法。在细胞培养方面，构建了 3D 肿瘤球 - 基质胶（Matrigel）培养系统模拟肿瘤微环境。通过 CRISPR/Cas9 技术对 Cxcl5 基因进行编辑，构建基因敲除细胞系。运用 RNA 测序技术分析基因表达谱，结合基因本体论（GO）分析和基因集富集分析（GSEA）探究基因功能和相关通路。利用蛋白质免疫印迹（Western blotting）、实时荧光定量聚合酶链反应（qRT-PCR）检测蛋白和基因表达水平。采用代谢组学技术分析细胞代谢物变化。
下面来看看具体的研究结果：
- Cancer-derived CXCL5 is necessary for tumor spheroid growth：研究人员建立了 3D 肿瘤球 - 基质胶培养系统，用 M0 或 M1 巨噬细胞条件培养基处理胰腺癌细胞系 Panc02 和结肠癌细胞系 MC38。发现 M1 条件培养基能显著增加 Panc02 肿瘤球面积，但不影响细胞增殖。进一步研究发现，M1 条件培养基处理后，趋化因子 Cxcl5 表达显著上调，且在 3D 培养中更为明显。敲除 Cxcl5 基因后，肿瘤球生长受限，细胞数量减少，而在 2D 培养中，野生型和 Cxcl5 敲除细胞的增殖率没有差异。这表明 Cxcl5 是肿瘤在 3D 环境下生存和生长的必需因子。
- Cxcl5 deletion impaired global metabolic reprogramming in 3D：对野生型和 Cxcl5 敲除细胞进行 RNA 测序，主成分分析（PCA）显示，2D 培养时两者基因表达谱相似，3D 培养时则明显不同。GO 分析发现，3D 培养的野生型细胞中，与细胞黏附、ECM 组织、缺氧反应和代谢过程相关的基因表达上调，而 Cxcl5 敲除后，这些基因的表达发生逆转。GSEA 分析表明，Cxcl5 缺失阻碍了 3D 环境下对肿瘤生长至关重要的代谢途径的重编程。
- Cancer cells lacking Cxcl5 are more sensitive to hypoxic cell death：在缺氧条件下，细胞会从氧化磷酸化转变为糖酵解以维持能量产生和生物量合成。研究发现，3D 培养的野生型细胞中许多缺氧相关基因上调，但 3D 培养的 Cxcl5 敲除细胞中这些基因的诱导受损，包括缺氧诱导因子 1α（Hif1α）。通过实验证实，Cxcl5 敲除的肿瘤球对缺氧诱导的细胞死亡更敏感，过表达 Hif1α 可使 Cxcl5 敲除细胞对缺氧细胞死亡的抗性恢复到野生型水平。
- 3D-cultured Cxc15 cells exhibit increased mitochondrial ROS and ferroptosis：代谢组学分析显示，3D 培养的野生型细胞糖酵解中间产物水平显著增加，而 Cxcl5 敲除细胞中这些代谢物减少，且还原型谷胱甘肽（GSH）、L - 胱硫醚和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）等抗氧化代谢物也减少。这导致 Cxcl5 敲除细胞线粒体活性氧（ROS）水平升高，线粒体膜电位（MMP）超极化，脂质过氧化增加，最终引发铁死亡（Ferroptosis）。
- Hif1α or Myc overexpression restricted ferroptosis and restored growth of 3D-cultured Cxcls cells：丝氨酸 / 甘氨酸生物合成和一碳代谢受多种转录因子调节，包括 HIF-1A、MYC 等。研究发现，3D 培养的野生型细胞中 Myc 表达高于 2D 培养，Cxcl5 缺失会阻断 Myc 的上调。过表达 Hif1α 或 Myc 可逆转 3D 培养的 Cxcl5 敲除细胞的氧化损伤，恢复其代谢途径和肿瘤球生长。其中，Myc 过表达对丝氨酸 / 甘氨酸生物合成和一碳代谢的挽救作用更强。
- PAAD patients expressing higher levels of CXCL5-correlated genes associated with hypoxia and metabolism have poorer prognosis：研究人员分析胰腺癌（PAAD）患者数据发现，CXCL5 表达与许多与缺氧、糖酵解相关代谢途径、单糖代谢、氮代谢和甾醇生物合成相关的基因呈正相关。PAAD 患者中，这些与 CXCL5 相关基因表达水平较高的患者总体生存率较差。
- HIF1A or MYC overexpression may restrict the efficacy of drug targeting CXCR2：CXCL5 通过与趋化因子受体 CXCR2 结合促进肿瘤进展。研究发现，敲除 Cxcr2 基因可抑制肿瘤球生长，且 3D 培养的 Cxcr2 敲除细胞无法诱导 Hif1α 和 Myc 表达。此外，HIF1A 或 MYC 过表达与胰腺癌细胞系对 CXCR2 靶向药物 AZD5069 的敏感性降低相关。
研究结论和讨论部分，本次研究揭示了肿瘤来源的 Cxcl5 在肿瘤细胞适应 3D 肿瘤微环境的代谢重编程中起着关键作用。Cxcl5 缺陷的癌细胞在糖酵解、丝氨酸 / 甘氨酸生物合成和一碳代谢方面存在缺陷，导致能量、生物量和抗氧化剂产生不足，从而使肿瘤球生长受限，并增加对铁死亡的敏感性。此外，研究还发现 Hif1α 和 Myc 在调节肿瘤细胞代谢和对缺氧的反应中起重要作用，且它们的过表达可能影响靶向 CXCR2 药物的疗效。这些发现为肿瘤治疗提供了新的潜在靶点和理论依据，尤其是针对胰腺癌的治疗。同时，研究中发现的与 CXCL5 相关的基因可作为潜在的生物标志物，用于预测患者预后和指导个性化治疗。然而，目前对于 Hif1α 和 Myc 转录调控的机制仍有待进一步研究，未来的研究可以朝着这个方向深入探索，以更全面地了解肿瘤代谢的调控网络，为攻克肿瘤这一难题提供更多的思路和方法。
