人睡了，癌细胞醒了！Nature 研究刷新认知：睡觉时，癌细胞竟会加速增殖和转移

蔚蓝色淼 2022-06-25 发布于河北

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导读

多年来，癌症一直是对人类健康最大的威胁之一。尽管在临床护理和癌症生物学领域有许多发现和进步，但我们对这种疾病的认知仍然存在局限性。在癌症发展过程中出现的许多现象中，最重要的可能是癌症的转移过程，即癌细胞脱离原发肿瘤，通过血管在体内传播并在其他器官中形成新的肿瘤，90% 的癌症死亡都与转移有关。

前期的研究发现，肿瘤的转移扩散是通过循环肿瘤细胞（Circulating tumour cells, CTCs）的血液播散实现的。CTCs 从生长的肿瘤中脱落，即使在恶劣的循环系统中也能保持增殖和生存的能力。然而，原发肿瘤生成 CTCs 的动力学机制尚不清楚。

2022 年 6 月 22 日，由苏黎世联邦理工学院、巴塞尔大学等单位的研究人员组成的团队在国际顶级期刊 Nature 发表了题为 The metastatic spread of breast cancer accelerates during sleep 的研究长文，该研究得出了一个令人惊讶的结论：具有高转移倾向的循环肿瘤细胞的产生并不是持续发生的，而是主要发生在睡眠阶段。这一结论为有转移倾向癌症患者在特定时间进行检测和治疗提供了新的理论依据。

图片来源：Nature

主要研究内容

昼夜节律和 CTCs 内渗进入血管

本研究纳入了 30 名乳腺癌患者，其中 21 例被诊断为早期乳腺癌（无转移），9 例被诊断为转移期。研究人员分别在凌晨 4 点和上午 10 点采集样本，这两个时间点分别代表身体的「休息」和「活跃」阶段。

令人惊讶的是，他们发现所获得的 CTCs 中有 78.3% 来自于休息期采集的样本，这些 CTCs 包括单个 CTC、CTC 集群（CTC cluster）和 CTC-白细胞集群。

为了测试这些发现的普遍性，并更好地描述事件发生的精确时间，研究人员使用了四种不同的乳腺癌小鼠模型进行了系统研究。结果发现，与患者来源数据一致，大多数 CTC 事件（高于 87%）发生在小鼠休息期获得的样本中。

当专注于两个最具代表性的时间点，即小鼠昼夜节律的休息期（ZT4）和活动期（ZT16）（授时因子时间：Zeitgeber time, ZT），可以发现所有受试模型中的绝对和标准化 CTC 计数均存在显著差异，而这种差异主要是由进入血管内渗速率的差异造成的。这些结果表明，在乳腺癌患者和小鼠模型中，CTCs 的释放主要是在睡眠期间发生的。

图片来源：Nature

睡眠中产生的 CTCs 的转移能力更强

接下来，他们进一步研究了在昼夜节律的不同阶段产生的 CTCs 转移潜能是否不同。

为此，他们使用了 NSG-LM2 异种移植模型，在昼夜节律的不同时间点（ZT0、ZT4、ZT12、ZT16）收集自发脱落的 CTCs，并通过尾静脉注射到无瘤小鼠体内，以测定 CTCs 的直接转移能力。值得注意的是，他们发现大多数转移发生在 ZT4 时间点收集的 CTCs 中，这些结果表明在休息期脱落的 CTCs 转移能力更强。

图片来源：Nature

CTCs 中时间依赖性基因的表达

随后，他们试图研究决定 CTCs 在休息期和活跃期转移能力差异的分子特征，他们在小鼠的休息（ZT4）和活跃（ZT16）阶段分离出 CTCs 并对它们进行单细胞转录组测序（scRNA-seq）。

主成分分析发现，时间点（ZT4 与 ZT16）是影响 CTCs 基因表达的关键特征，即时间点驱动明显的基因表达变化。在对 ZT4 和 ZT16 中上调的基因进行富集分析时发现，有丝分裂和细胞分裂的通路在 ZT4 中高度活跃，而支持核糖体生物生成和基因翻译的通路则在 ZT16 中上调。值得注意的是，在从乳腺癌患者中分离的 CTCs 中，在一天的活动（10AM）和休息（4AM）阶段，观察到了与在小鼠模型中相同的基因表达和通路活性模式。

总之，从患者和小鼠模型中分离的 CTCs 在休息和活跃期的分子基因表达分析显示了非常不同的基因表达模式。具体而言，在睡眠期间，基因表达由细胞分裂和有丝分裂基因主导，而在活动期间，观察到高核糖体生物发生活性。这种振荡增殖不仅在 CTCs 中观察到，而且在原发性肿瘤中也观察到，这表明这是在疾病进展过程中发生在乳腺癌细胞中的普遍现象。

图片来源：Nature

CTCs 内渗进入血管的调控

最后，他们对昼夜节律驱动的 CTCs 生成和增殖的主要调控因子进行了研究，发现糖皮质激素受体、雄激素受体和胰岛素受体的表达在 CTCs 高度表达，这表明它们的配体可能参与了时间驱动的 CTCs 生成和增殖。

为了验证这一假设，他们在小鼠休息期（ZT2）单独使用地塞米松（特定的糖皮质激素受体配体）和植入睾酮颗粒（主要的雄激素受体配体）进行干预，并在休息期的高峰时间采样，结果发现 CTCs 显著减少；而在休息期使用胰岛素治疗则减少了 ZT4 时 CTCs 内渗进入血管，增加了 ZT16 时的 CTCs 内渗进入血管，而原发肿瘤体积没有显著变化。值得注意的是，在休息期使用胰岛素治疗也会逆转乳腺癌细胞的增殖周期。这些实验结果表明，乳腺癌细胞的增殖和血管内渗是由关键的昼夜节律调节激素的日常振荡决定的，激素可以对乳腺癌的转移产生影响。

图片来源：Nature

结语

综上所述，本研究为具有转移能力的 CTCs 的生成过程提供了新的见解。他们发现，在乳腺癌患者和小鼠模型中，CTCs 的生成主要发生在睡眠阶段，并且具有更大的转移倾向，这种增强的转移能力是由依赖时间的高增殖率所赋予的，受到昼夜节律调节激素的影响。

这一研究结果提示可以使用时间节律控制的方法来表征和治疗乳腺癌，以最大限度地减少变异，并选择合适的癌症治疗方法，使其在睡眠期间发挥最大效力。

延伸阅读

本研究在线发表时，Nature 杂志同时刊登了来自密歇根大学 Harrison Ball 教授和 Sunitha Nagrath 教授题为 Cancer cells spread aggressively during sleep 的评述性文章。

图片来源：Nature

该评述性文章指出：Diamantopoulou 及其同事的工作对癌症研究领域和临床癌症治疗具有重要的意义，尽管在这项研究中只评估了乳腺癌，这些结果是否适用于其他类型的肿瘤目前还不清晰，但如果该现象具有普适性，那将会是一件非常有趣的事情。同时，基于此的血液生物标志物研究的新篇章也已被开启，即考虑各种调节因子（如激素），如何影响癌症的增殖和扩散。