Nature | PET結(jié)合電鏡發(fā)現(xiàn)線粒體網(wǎng)絡(luò)亞群控制腫瘤生物能量

原創(chuàng)?M. B.?圖靈基因?2023-03-22 10:11?發(fā)表于江蘇

撰文：M. B.

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1埃叭、對腫瘤進(jìn)行高分辨率的掃描机蔗，編譯連續(xù)圖像創(chuàng)建生成3D腫瘤體積篓像。

2、在NSCLC中匾二，線粒體網(wǎng)絡(luò)被劃分為不同的亞群控制腫瘤的生物能量厢漩。

3嘶卧、葡萄糖通量可調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞中的線粒體運(yùn)動(dòng)疮胖，葡萄糖通量抑制導(dǎo)致I型嵴顯著增加。

關(guān)鍵詞

非小細(xì)胞肺癌（Non-small cell lung cancer, NSCLC）设易；正電子發(fā)射斷層掃描（Positron emission tomography, PET）逗柴；氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation, OXPHOS）；肺腺癌（Lung adenocarcinoma, LUAD）顿肺；肺鱗狀細(xì)胞癌（Lung squamous cell carcinoma, LUSC）

近日戏溺，美國加利福尼亞州加州大學(xué)的Mark H. Ellisman團(tuán)隊(duì)在《Nature》雜志上發(fā)表了名為“Spatial mapping of mitochondrial networks and bioenergetics in lung cancer”的文章。線粒體對癌細(xì)胞代謝和生物能量學(xué)的控制至關(guān)重要屠尊。線粒體形成高度組織化的網(wǎng)絡(luò)旷祸，其中它們的外膜結(jié)構(gòu)和內(nèi)膜結(jié)構(gòu)定義了它們的生物能量能力。然而讼昆，描述線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組織與生物能量活性之間關(guān)系的體內(nèi)研究一直有限托享。在此，作者使用由正電子發(fā)射斷層掃描成像控淡、呼吸量測定和三維連續(xù)塊面電子顯微鏡組成的集成平臺嫌吠，對非小細(xì)胞肺癌（Non-small cell lung cancer, NSCLC）的線粒體網(wǎng)絡(luò)和生物能量表型進(jìn)行了體內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能分析止潘，發(fā)現(xiàn)線粒體網(wǎng)絡(luò)在腫瘤細(xì)胞內(nèi)被分隔成不同的隔室掺炭。結(jié)果表明，在NSCLC中凭戴，線粒體網(wǎng)絡(luò)被劃分為不同的亞群涧狮，這些亞群控制著腫瘤的生物能量。

非小細(xì)胞肺癌（Non-small cell lung cancer, NSCLC）是組織學(xué)么夫，遺傳學(xué)和代謝水平上的異質(zhì)性疾病者冤。線粒體是細(xì)胞能量和新陳代謝的重要調(diào)節(jié)部位，在維持腫瘤細(xì)胞的生長和存活方面起著關(guān)鍵作用档痪。線粒體組織成動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)涉枫，使得其外膜和內(nèi)膜結(jié)構(gòu)決定了細(xì)胞電子傳遞鏈（Electron transport chain, ETC）活動(dòng)和呼吸能力。然而腐螟，目前對線粒體網(wǎng)絡(luò)如何在NSCLC患者體內(nèi)水平上進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的調(diào)節(jié)的理解是有限的愿汰。

為了更好地了解NSCLC中的線粒體生物能量學(xué)，作者開發(fā)并驗(yàn)證了一種電壓敏感的正電子發(fā)射斷層掃描（Positron emission tomography, PET）示蹤劑乐纸，稱為[18F]4-氟芐基三苯基膦（[18F]4-fluorobenzyl triphenylphosphonium, [18F]FBnTP）衬廷。這種示蹤劑能夠測量NSCLC中鼠類肉瘤病毒癌基因（Kirsten rat sarcoma viral oncogene, KRAS）驅(qū)動(dòng)的小鼠模型中線粒體膜電位（ΔΨ）的相對變化。

1汽绢、非小細(xì)胞肺癌（Non-small cell lung cancer, NSCLC）中氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation, OXPHOS）的體內(nèi)分析

為了評估NSCLC中的OXPHOS吗跋，作者使用放射性示蹤劑[18F]4-氟芐基三苯基膦（[18F]4-fluorobenzyl triphenylphosphonium, [18F]FBnTP）和[18F]氟脫氧葡萄糖（[18F]-fluorodeoxyglucose, [18F]FDG）偶聯(lián)肺部腫瘤正電子發(fā)射斷層掃描（Positron emission tomography, PET）成像，對線粒體復(fù)合物I和II活性進(jìn)行離體呼吸量測定分析。

[18F]FBnTP?用于比較線粒體膜電位（ΔΨ）的相對變化，[18F]FDG用于測量葡萄糖流量。結(jié)果顯示基因工程小鼠模型（Genetically engineered mouse models, GEMM）中卧抗，Lkb1的失活驅(qū)動(dòng)肺腺癌（Lung adenocarcinoma, LUAD）和肺鱗狀細(xì)胞癌（Lung squamous cell carcinoma, LUSC）亞型的發(fā)展缕允。作者通過表面活性劑蛋白C（Surfactant protein C, SP-C）、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（Glucose transporter 1, GLUT1）和細(xì)胞角蛋白5（Cytokeratin 5, CK5）染色驗(yàn)證LUAD和LUSC的組織學(xué)胰柑，也證實(shí)了腫瘤亞型。總的來說，結(jié)果表明[18F]FBnTP攝取與人和小鼠NSCLC中線粒體復(fù)合物I和II的活性直接相關(guān)丹锹。

2、正電子發(fā)射斷層掃描（Positron emission tomography, PET）引導(dǎo)下非小細(xì)胞肺癌（Non-small cell lung cancer, NSCLC）的三維連續(xù)塊面電子顯微鏡（Three-dimensional serial block-face electron microscopy, 3D SBEM）成像

為了觀察同一腫瘤中不同的線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組織芬失，作者開發(fā)了一種工作流程楣黍，將功能性PET成像與顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描和超分辨率三維連續(xù)塊面電子顯微鏡配對，能夠形成全腫瘤成像棱烂。通過成像確定了每個(gè)腫瘤內(nèi)的高放射性示蹤劑攝取與低放射性示蹤劑攝取區(qū)域租漂。接下來對腫瘤進(jìn)行高分辨率的掃描，并編譯連續(xù)圖像生成3D SBEM腫瘤體積颊糜。生成3D腫瘤體積后哩治，作者根據(jù)細(xì)胞形態(tài)特征對每種細(xì)胞類型進(jìn)行了細(xì)胞分割和標(biāo)記，在LUSC中衬鱼，鑒定出的主要免疫細(xì)胞類型是中性粒細(xì)胞业筏，而在LUAD中巨噬細(xì)胞最為主要，這些結(jié)果與先前的研究工作一致鸟赫。

3蒜胖、線粒體的空間和結(jié)構(gòu)映射

2D SBEM圖像中的線粒體在LUAD和LUSC中表現(xiàn)出相似的表型，這些圖像準(zhǔn)確地體現(xiàn)了線粒體的橫截面視圖抛蚤，然而并沒有表征線粒體網(wǎng)絡(luò)的高階組織台谢。線粒體網(wǎng)絡(luò)的3D渲染（紅色顯示）確定了明顯的表型差異，其中LUAD細(xì)胞主要具有細(xì)長的線粒體岁经，而LUSC細(xì)胞主要具有碎片化的線粒體朋沮，表明腫瘤的3D渲染確定了LUAD和LUSC細(xì)胞線粒體之間結(jié)構(gòu)和空間分布的差異。

分辨率為5-6 nm的SBEM成像不僅能夠研究線粒體動(dòng)力學(xué)缀壤，而且能夠研究線粒體內(nèi)膜形成的嵴超微結(jié)構(gòu)樊拓。作者將哺乳動(dòng)物細(xì)胞中描述過的三種主要結(jié)構(gòu)歸類為I型（高度有序的層狀嵴），II型（稀疏和雜亂無章的嵴）诉位，III型（濃縮嵴）骑脱。嵴型定量顯示，OXPHOS率高的LUAD細(xì)胞具有Ⅰ苍糠、Ⅱ和Ⅲ型嵴的混合群體叁丧，OXPHOS率低的鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞富集了III型嵴，而I型嵴顯著減少，同時(shí)作者發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞始終缺乏高度有序的I型嵴拥娄。

4蚊锹、線粒體運(yùn)動(dòng)的葡萄糖調(diào)節(jié)

作者在高代謝的鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞中提出了一個(gè)模型，高葡萄糖通量會抑制線粒體運(yùn)動(dòng)稚瘾。因此作者測量了高代謝牡昆、糖酵解的RH2和Tu686細(xì)胞系與糖酵解較少的H1975和A549細(xì)胞系在基礎(chǔ)水平和抑制葡萄糖通量后的線粒體運(yùn)動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與RH2和Tu686細(xì)胞相比摊欠，H1975和A549細(xì)胞的基礎(chǔ)葡萄糖攝取和細(xì)胞外酸化率顯著增加丢烘，而線粒體運(yùn)動(dòng)顯著降低，且葡萄糖攝取的抑制會誘導(dǎo)RH2和H1975細(xì)胞中線粒體運(yùn)動(dòng)的增加些椒，表明葡萄糖通量調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞中的線粒體運(yùn)動(dòng)播瞳。然后，對線粒體網(wǎng)絡(luò)的重塑進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)免糕，葡萄糖通量的抑制誘導(dǎo)細(xì)胞中I型嵴的顯著增加和III型嵴的減少赢乓。

技術(shù)路線

總之，作者對小鼠和人類NSCLC腫瘤的線粒體網(wǎng)絡(luò)和生物能量表型進(jìn)行了體內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能的分析石窑。強(qiáng)調(diào)了NSCLC腫瘤亞型之間生物能量活性的多樣性牌芋。并且作者在LUAD細(xì)胞和LUSC細(xì)胞之間發(fā)現(xiàn)的功能多樣性準(zhǔn)確地預(yù)測了腫瘤亞型中不同結(jié)構(gòu)的線粒體表型，鑒定的線粒體結(jié)構(gòu)的廣泛多樣性與組織學(xué)亞型中多樣化的生物能量特征和代謝依賴性相關(guān)松逊。利用肺癌亞型特有的生物能量和代謝特征躺屁，定義線粒體結(jié)構(gòu)與代謝依賴性之間的結(jié)構(gòu)—功能關(guān)系可能有望作為一種新興的診斷和治療策略。

教授介紹

Mark H. Ellisman棺棵，加州大學(xué)圣地亞哥分校神經(jīng)科學(xué)與生物工程教授楼咳，加州大學(xué)圣地亞哥分校生物系統(tǒng)研究中心的創(chuàng)始主任熄捍，國家顯微鏡和成像研究中心（National Center for Microscopy and Imaging Research, NCMIR）主任烛恤。Ellisman教授于1988年成立了NCMIR，通過開發(fā)3D光學(xué)和電子顯微鏡方法余耽，更好地了解神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能缚柏。作為美國醫(yī)學(xué)和生物工程研究所的創(chuàng)始研究員，Ellisman教授獲得了許多獎(jiǎng)項(xiàng)碟贾，包括美國國立衛(wèi)生研究院的Jacob Javits神經(jīng)科學(xué)研究獎(jiǎng)和美國國家科學(xué)基金會的創(chuàng)造力獎(jiǎng)币喧。

參考文獻(xiàn)

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.