撰文 | 李欣茜 郑宇含 张彦康 张婷 李雨 

编辑 | 孟美瑶 

校对 | 张婷

 背景介绍

癌症可塑性是指癌细胞为适应微环境变化（如缺氧、治疗压力等），动态改变其生物学特性的能力，在肿瘤异质性及适应性表型的产生中起关键作用。癌细胞通常依赖糖酵解供能，但大量研究表明它们能通过调整代谢模式（例如激活氧化磷酸化）来适应环境变化，这种代谢可塑性使癌细胞获得了高效迁移的能力。这是癌症发展的重要机制。目前关于癌症代谢可塑性的研究主要聚焦于细胞自主性调控机制，即癌细胞通过调节代谢酶活性和切换底物利用来重塑代谢网络。相比之下，对非自主性调控机制的认知仍比较有限，它涉及肿瘤微环境中复杂的细胞互作，例如成纤维细胞和免疫细胞等基质细胞可通过共享代谢物、生长因子和细胞因子来驱动癌细胞的代谢重编程。总体而言，癌细胞代谢可塑性的非细胞自主机制仍不清楚，或将成为阻断肿瘤转移的新靶点。

近年来，癌症神经生物学研究备受关注，大量研究表明多种恶性肿瘤中存在神经浸润现象，这些肿瘤浸润神经元能通过直接代谢互作调控癌细胞代谢，进而影响肿瘤侵袭性。临床病理分析显示，肿瘤神经支配与不良预后显著相关，而靶向去除肿瘤内神经可组织特异性地抑制肿瘤生长。肿瘤微环境中的神经可能通过两种途径形成：(1) 招募现存神经（神经周围浸润）； (2) 肿瘤基质内新生神经形成（肿瘤神经发生）。在前列腺癌患者中，对前列腺进行去神经支配治疗可显著抑制肿瘤生长和代谢重编程。对去神经支配的肿瘤进行代谢组学分析，发现去神经支配后癌细胞代谢效率受损，表现为线粒体代谢下调，能量生产转向更依赖糖酵解的模式。以上研究表明，神经缺失显著影响肿瘤的能量代谢，从而抑制其进展。由于癌细胞对神经具有代谢依赖性，提示在神经-癌细胞界面存在特定的代谢支持机制。然而，这些机制的本质仍未明晰。

本研究证实了乳腺癌细胞对神经的代谢依赖，通过体外和体内实验，研究人员首次发现神经元与癌细胞间存在广泛的线粒体转移现象。为追踪受体癌细胞的命运，研究人员开发了MitoTRACER遗传报告系统，通过永久标记接收供体线粒体的癌细胞，发现神经元来源的线粒体能显著增强癌细胞的代谢能力、干性特征和转移应激抵抗能力。体内谱系追踪实验进一步证实这些癌细胞具有更强的转移潜能。对临床样本进行病理学分析，发现转移性癌细胞线粒体数量增加，且神经浸润区域的癌细胞线粒体含量显著升高。在采用肉毒杆菌神经毒素A（BoNT/A）进行化学去神经支配后，癌细胞线粒体负荷明显降低。这些发现共同表明，神经驱动的代谢支持是癌症代谢可塑性和转移潜能的关键决定因素。

研究结果

1.去神经支配损害肿瘤生物能量学

有研究报道，对大鼠前列腺或人前列腺进行去神经支配处理（小编注：去神经支配是指通过手术、化学或物理方法，人为去除或破坏某一组织或器官的神经供应，使其失去神经调控的过程。本文使用肉毒杆菌神经毒素A（BoNT/A），其能特异性切割神经元内的SNAP-25蛋白（突触小体相关蛋白），阻断神经递质释放，从而实现去神经支配），会导致癌细胞凋亡，提示前列腺癌细胞对神经具有依赖性，以及神经支配去除会诱导前列腺癌细胞代谢重编程。同样，在小鼠模型中，乳腺癌去神经支配也可显著抑制肿瘤生长。然而，神经浸润对乳腺癌代谢的影响尚未明确。为了评估神经支配去除对乳腺癌的影响，研究人员分别构建了4T1三阴性乳腺癌（TNBC）和人导管原位癌异种移植两种小鼠模型，并利用肉毒杆菌神经毒素A（BoNT/A）去除乳腺脂肪垫神经支配（图1a、b和扩展数据图1a-d）。研究人员分选了肿瘤中的癌细胞进行转录组分析，结果显示去神经支配显著改变了肿瘤来源的癌细胞的基因表达谱（图1b和扩展数据图1a、b），GO分析表明代谢相关通路普遍下调（扩展数据图1b-d）。此外，导管原位癌模型的GSEA分析显示，TCA循环是最显著下调的代谢通路（扩展数据图1c）。组织病理学检查进一步表明，去神经支配处理使侵袭性病灶的发生率从55%降低至12%（扩展数据图1e），进一步表明神经支配对乳腺癌进展的重要功能意义。

图1.癌细胞对神经的代谢依赖及神经-肿瘤界面功能性线粒体的细胞间转移

扩展数据图1.体内癌症去神经支配模型

2.癌症促进神经元线粒体生成

为了深入探究乳腺癌发展过程中癌细胞对神经的代谢依赖机制，研究人员构建体外“神经-癌”共培养模型。已有研究表明，小鼠侧脑室下区（SVZ）的神经干细胞（NSCs）能够迁移到肿瘤组织中，并在那里分化为神经元，从而为肿瘤提供神经支配。于是研究人员将侵袭性小鼠乳腺癌细胞系4T1与SVZ-NSCs共培养（扩展数据图2a–d），发现在4T1细胞的刺激下，SVZ-NSCs迅速分化，形态由圆形神经祖细胞转变为具有长突起的细长细胞，并与癌细胞形成紧密接触（图1c及扩展数据图2e）。SVZ-NSCs可分化为神经元、星形胶质细胞或少突胶质细胞。免疫荧光染色结果显示SVZ-NSCs高表达β3-微管蛋白（TUBB3，神经元标志物），证实其向神经元方向分化（扩展数据图2f）。流式细胞术结果显示，90%以上的神经祖细胞分化为TUBB3⁺和MAP2⁺神经元，而胶质细胞标志物O4和ALDH1L1均为阴性（扩展数据图2g–i）。此外，SVZ-NSCs还表现出功能性神经元特征，包括钙脉冲活动（扩展数据图 2j）以及产生动作电位的能力（平均阈值为-46±5 mV）（扩展数据图 2k,l）。

通过分离单独培养或与神经元共培养的癌细胞进行代谢分析，研究人员发现共培养组癌细胞的线粒体呼吸显著增强（图1d），基础呼吸、最大呼吸及呼吸储备能力均显著提高（扩展数据图3a），表明体外共培养模型中“神经-癌”具有代谢依赖关系。

癌症诱导的神经祖细胞分化是肿瘤浸润神经过程中“神经-癌”互作的关键环节。已有研究表明，癌细胞通过上调轴突导向分子（如semaphorin 4F）诱导神经前体细胞迁移到肿瘤基质并分化为神经元，进而增加肿瘤内神经密度，促进肿瘤侵袭。在生理条件下，分化的神经祖细胞需经历代谢重编程，提高线粒体代谢水平以满足分化能量需求（扩展数据图3b,c）。于是，研究人员探究癌症诱导的神经分化是否也伴随类似重编程现象，结果证实在4T1癌细胞刺激下，SVZ-NSCs的线粒体数量显著增加，平均每个神经元的mtDNA/核DNA拷贝数由约16增加至226（扩展数据图 3d,e）。荧光标记SVZ-NSC的线粒体后观察发现，共培养体系中线粒体形态从单独培养时的球形结构转变为细长管状结构，并延伸至整个细胞中（扩展数据图 3f）。这种形态变化是代谢重编程的典型特征，标志着成熟神经元由糖酵解向线粒体氧化代谢转变。

扩展数据图2.神经-癌串扰模型

扩展数据图3.神经-癌串扰与线粒体代谢

3.神经元线粒体向癌细胞转移

接下来，研究人员用SVZ-NSCs或背根神经节来源的神经元（50B11-DRG）与mCherry荧光蛋白标记的4T1乳腺癌细胞（4T1^mCherry+）共培养，并用绿色荧光蛋白（eGFP）标记两种神经元中的线粒体（SVZ-NSCCCO-GFP和50B11-DRGCCO-GFP）（图1e-h）。通过免疫荧光染色和流式细胞术，研究人员发现神经元中的线粒体向癌细胞转移（图1e-h及扩展数据图4a），同时存在隧道纳米管样结构介导其转移（图1g红色箭头），并通过三维重建进行验证（图1h白色箭头）。流式细胞术结果显示，共培养体系中出现了双阳性细胞亚群（4T1GFP+/mCherry+），表明受体4T1mCherry+细胞获得了eGFP标记的神经元来源线粒体（图1f及扩展数据图4a）。尽管双阳性细胞亚群仅占共培养总细胞的0.96%（图1f），但这仅代表瞬时的线粒体的转移比例，并且线粒体供体SVZ-NSCs仅占共培养总细胞的3.06%。于是，为了排除供体细胞数量波动对转移率的影响，研究人员以共培养体系中eGFP标记的神经元基准进行归一化，4T1GFP+/mCherry+占比相当于供体细胞的31.4%。后续不同实验条件下的线粒体转移率均采用此标准化方法进行统一。

除细胞直接接触介导的转移途径外，研究人员还探究了微囊泡等远距离转移机制。通过Transwell小室进行间隔共培养实验，发现直接接触的线粒体转移率为23.04%，显著高于非接触条件下的0.59%，表明细胞直接接触是线粒体转移的主要途径（图1i）。此外，抑制共培养细胞隧道纳米管形成，显著降低了线粒体转移率，并且不影响细胞活力（图1j及扩展数据图4b）。随后，研究人员检测了不同细胞系来源线粒体转移能力（包括50B11-DRG神经元、SVZ神经元、PC12嗜铬细胞瘤、HT-22海马神经元、Neuro2A神经母细胞瘤、3T3-L1前体脂肪细胞、小鼠胚胎成纤维细胞、NMuMG正常小鼠乳腺上皮细胞及4T1乳腺癌细胞），发现所有供体细胞均能向4T1细胞转移线粒体，并且神经元来源细胞系的线粒体转移效率更高（图1k）。此外，3种人源癌细胞也和4T1一样，能接受来自神经元的线粒体（扩展数据图4c）。

扩展数据图4.体外神经-癌线粒体转移

4.转移的线粒体具有功能

随后，为了进一步验证神经元线粒体向癌细胞的转移，研究人员构建了缺失线粒体DNA（mtDNA）的ρ⁰ 4T1癌细胞，并将其与含有完整mtDNA的ρ⁺ SVZ-NSC共培养（图1l）。ρ⁰ 4T1mCherry+细胞最初完全检测不到mtDNA，在共培养后通过FACS分选出来并检测基因表达，发现ρ⁰ 4T1mCherry+细胞逐渐重新获得了mtDNA（图1m及扩展数据图4d）。同时在共培养恢复mtDNA后，ρ⁰细胞的线粒体形态恢复正常（图1n）。由于ρ⁰细胞的氧化磷酸化（OXPHOS）能力受损，必须补充尿苷才能生长。因此，研究人员将ρ⁰ 4T1细胞单独培养，或与ρ⁺ SVZ-NSCs共培养，两个体系中均添加尿苷。共培养5天后，通过FACS分离4T1mCherry+细胞，并在无尿苷条件下继续培养，单独培养的ρ⁰ 4T1细胞同样不再添加尿苷。结果显示，单独培养的ρ⁰ 4T1细胞无法在无尿苷条件下继续生长，但与ρ⁺神经元共培养的ρ⁰ 4T1细胞中，部分能够形成活细胞集落（图1o）。表明神经元来源的线粒体能恢复ρ⁰细胞尿苷合成能力，从而证明转移的线粒体具有功能活性。此外，通过Seahorse细胞能量代谢分析（图1p）和增殖实验（图1q）进一步证明，SVZ-NSCs来源的线粒体成功挽救了ρ⁰ 4T1细胞的线粒体呼吸能力和增殖能力。

5.线粒体转移在体内普遍存在

随后，研究人员在体内进一步验证了神经-癌线粒体转移现象。首先对人类前列腺癌样本进行临床病理分析，发现在前列腺癌神经浸润区域，癌细胞的线粒体含量显著增加（图2a）。高通量多光谱成像定量结果显示，靠近神经的癌细胞比远离神经的癌细胞含有更多的线粒体（图2b）。为探究线粒体数量增加是否源自线粒体转移，研究人员分析了一项临床试验（NCT01520441）中的前列腺癌组织样本，受试患者的一侧前列腺注射BoNT/A进行去神经支配，另一侧注射生理盐水作为对照。多光谱成像显示，BoNT/A去神经处理侧的癌细胞线粒体含量显著降低（图2c）。这进一步证明神经促进癌细胞线粒体富集，且线粒体转移可能是其中的重要机制。

接下来，研究人员在BALB/c小鼠异种移植瘤模型中评估了神经元向4T1乳腺癌细胞的线粒体转移情况（图2d）。研究人员首先构建了神经元特异性、线粒体锚定型慢病毒载体Syn1-GFP-OMP25，用于特异性标记宿主乳腺脂肪垫神经元的线粒体，同时构建了靶向细胞核的慢病毒载体Syn1-GFP-NLS作为对照（图2e及扩展数据图5a-c）。随后，研究人员将Syn1-GFP-OMP25和Syn1-GFP-NLS分别注射到支配乳腺脂肪垫的背根神经节（DRG）中，1周后向乳腺脂肪垫注射4T1mCherry+癌细胞以诱发肿瘤。3周后，研究人员对原发肿瘤进行流式细胞术分析，发现Syn1-GFP-OMP25组肿瘤中部分癌细胞存在eGFP绿色荧光信号，而Syn1-GFP-NLS组肿瘤中没有eGFP信号，证实了体内宿主神经元线粒体向癌细胞的转移（图2e）。

接着，研究人员通过Sanger测序鉴定出宿主小鼠和4T1癌细胞mtDNA间的差异位点（图2f）。随后通过FACS从肿瘤中分离4T1mCherry+癌细胞，并采用纳米孔测序分析其mtDNA组成，结果显示部分癌细胞获得了小鼠来源的mtDNA（图2g），而BoNT/A化学去神经支配处理显著抑制了线粒体转移。这表明部分转移的线粒体来源于神经元，并且神经元来源的线粒体转移量约占宿主-癌细胞间线粒体转移总量的35%（图2g）。

图2.线粒体在宿主神经元与癌细胞间转移

扩展数据图5.体内神经-癌线粒体转移

6.受体癌细胞的永久标记

前期研究已在体外和体内证实神经-癌细胞线粒体转移的生物学意义，并提示其临床相关性，因此探究该转移对癌细胞生物学特性的影响至关重要。然而，ρ⁰ 4T1细胞模型（图1l-q）在研究受体细胞中线粒体转移的功能效应方面存在一定局限。此外，现有体外（图1e-k）和体内（图2d,e）的线粒体标记方法仅能捕捉到线粒体的瞬时转移，无法统计累计转移量。尤其是当eGFP标记的线粒体进入受体细胞后，由于受体细胞不表达线粒体报告基因，荧光信号会迅速衰减（小编注：线粒体携带的荧光信号来源于供体细胞表达的绿色荧光蛋白eGFP，其表达后靶向进入供体细胞线粒体，从而使供体细胞线粒体带有绿色荧光标记，由于供体细胞能表达eGFP，因此能源源不断补充进线粒体，弥补被代谢、降解的eGFP，使供体细胞线粒体持续稳定地带有荧光信号。而当线粒体转移时，仅携带该线粒体内部已有的eGFP蛋白进入受体细胞，由于受体细胞不能表达eGFP，当供体细胞来源的eGFP蛋白在受体细胞中被降解后，就无法再检测到荧光信号）。因此，这些方法既不能区分共培养体系中哪些细胞接受了线粒体转移，也无法对受体细胞及其后代进行谱系追踪。为突破这一技术瓶颈，研究人员开发了一种新型遗传报告系统——MitoTRACER，能对接受神经元线粒体的癌细胞进行永久性标记，并将其与未接收线粒体的细胞清晰区分开来。

在MitoTRACER遗传报告系统中，研究人员通过基因编辑使4T1受体携带 loxP-DsRed-Express2-Stop-loxP-eGFP switch，同时稳定表达烟草蚀纹病毒半胱氨酸蛋白酶（TEVp）；在供体神经元SVZ-NSCMitoTRACER中表达线粒体外膜锚定的Cre重组酶并带有TEVp切割位点（图3a,b）。供体线粒体进入受体癌细胞后，经受体细胞内的TEVp切割后释放Cre重组酶，接着Cre重组酶入核切除DsRed-STOP片段，使eGFP基因持续表达（图3c及扩展数据图6a）。即受体癌细胞原本表达红色荧光蛋白 DsRed-Express2（以下称“红色细胞”），当神经来源的线粒体进入受体癌细胞后，Cre重组酶使得红色荧光被永久关闭，并启动绿色荧光蛋白eGFP的持续表达（以下称“绿色细胞”），这一动态过程已通过荧光结果和流式细胞术得到验证（图3d,e）。实时成像结果显示，受体细胞绿色信号的出现在隧道纳米管结构形成之后，进一步表明这些结构在线粒体转移中发挥重要作用（扩展数据图6b及补充视频3）。在不同供体细胞中，如SVZ神经干细胞（补充视频4）、小鼠胚胎成纤维细胞（补充视频5）和3T3-L1前脂肪细胞（补充视频6），均能通过实时成像成功追踪线粒体转移过程。（小编注：当神经元线粒体进入癌细胞后，受体癌细胞内的TEVp切割使神经元线粒体上的Cre重组酶释放，接着Cre重组酶入核启动受体细胞eGFP表达。如果存在自剪切现象使Cre重组酶释放，那么神经元就可能通过分泌外泌体、微囊泡、游离蛋白等与线粒体无关的途径将Cre重组酶释放到细胞外，进而被癌细胞摄取，可能导致缺乏TEVp的癌细胞仍能表达eGFP。在此，研究人员在MitoTRACER共培养的缺乏TEVp的受体细胞中未检测到GFP+的细胞，表明共培养并不能直接转移Cre重组酶，排除了自剪切现象释放Cre重组酶并通过非线粒体途径转移的可能，证实了在该系统中受体细胞GFP信号只会在真正接收了供体细胞线粒体才出现）（图3j）。这些结果共同证明，该系统不仅能实现线粒体转移的实时观测，其永久标记特性还能对受体细胞及其子代进行谱系追踪。

图3.构建MitoTRACER对线粒体细胞间转移进行谱系追踪

扩展数据图6.MitoTRACER

7.受体癌细胞的功能变化

研究人员接下来利用MitoTRACER系统探究了神经元线粒体转移对受体癌细胞的生物学影响，并在体内外探究其在癌症进展中的命运。首先通过FACS从MitoTRACER共培养体系中分离出接收神经元线粒体的绿色细胞（4T1MitoTRACERGreen）和未接收的红色细胞（4T1MitoTRACERRed）。将这两种细胞单独培养，发现二者生长模式存在显著差异。其中绿色细胞表现出更强的非锚定依赖性，在培养过程中自发形成大量球状体（图4a）。据报道，癌细胞的非锚定依赖性生长特性与其干性潜能相关，这通常与线粒体驱动的代谢过程密切相关（小编注：癌细胞主要涉及的线粒体驱动的代谢过程有糖酵解、氧化磷酸化、脂肪酸氧化，也涉及这些代谢过程之间的协调转化。传统上认为癌细胞主要依赖糖酵解产生ATP而非氧化磷酸化。这是由于糖酵解产生ATP的速率非常快，能满足癌细胞快速增殖的需求；并且糖酵解的中间产物（如葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、3-磷酸甘油等）能用于合成核苷酸、氨基酸和脂质等，能为癌细胞增殖产生新细胞提供原料；此外糖酵解产生的乳酸分泌到细胞外，有助于肿瘤微环境保持酸性，这有助于促进癌细胞侵袭、转移和免疫逃逸。近年来，有研究发现，在肿瘤中存在一些具有干细胞特征的癌细胞，被称为癌症干细胞，具有无限的增殖能力，并能分化产生各种类型的癌细胞。与普通癌细胞不同，大多数癌症干细胞依赖氧化磷酸化产生能量，这为癌症干细胞维持其干细胞特性和在不稳定环境（如脱离锚定）中存活提供了能量基础。癌症干细胞具有很强的代谢灵活性。除了葡萄糖以外，癌症干细胞还能利用脂肪酸，通过线粒体脂肪酸氧化过程产生ATP和NADPH，这对于癌细胞增殖、脱离基质后的存活、化学耐药过程至关重要。此外，线粒体ROS能够激活多种促存活或促干性的信号通路，HIF-1α（缺氧诱导因子）和NF-κB（核因子κB）通路。这些通路能够上调与干性、侵袭和转移相关的基因表达。（Br. J. Cancer，2016））。研究人员通过乳腺球形成实验验证了绿色细胞的干性增强（图4b）。Seahorse细胞能量代谢分析显示，绿色细胞的线粒体呼吸能力显著高于红色细胞和单独培养的亲本4T1细胞（图4c,d），同时绿色细胞整体处于更高能状态，表现为OCR、ECAR均升高（图4e）。另外，绿色细胞的基础呼吸、最大呼吸能力、耦合效率和ATP产量均显著增加（图4d,f）。研究人员接着分析线粒体转移的功能效应，发现绿色细胞的还原型谷胱甘肽（GSH）水平、GSH/氧化型谷胱甘肽（GSSG）比值均升高，表明其氧化还原平衡显著改善（图4g）。另外，氧化还原平衡的改善提高了绿色细胞在生理浓度（9-75μM）氧化应激条件下的存活率（图4i），增强对流体剪切力的抵抗力（图4j）。

转移性癌细胞的特征标志包括代谢可塑性增强、氧化还原平衡改善以及抗氧化/剪切力能力提升。因此，研究人员进一步探究了线粒体转移是否会促进癌细胞转移。体外侵袭实验显示，线粒体转移不会增强受体癌细胞的侵袭能力（图4k）。接着进行体内移植实验，将4T1MitoTRACER-Green和4T1MitoTRACER-Red分别注入小鼠乳腺脂肪垫，建立原位移植瘤。发现4T1MitoTRACER-Green肝转移灶数量更多，表明接收神经元线粒体后癌细胞体内转移能力增强（图4l,m）。这一结果提示，线粒体转移可能通过侵袭过程之外的机制促进肿瘤转移级联反应（小编注：转移级联反应过程包括局部侵袭-内渗-在循环系统存活-外渗-形成微转移灶-定植。这里说的侵袭过程指的是转移级联反应的第一步——“局部侵袭”，即原始癌细胞通过分泌酶（如基质金属蛋白酶）降解细胞外基质和基底膜，从而侵犯到周围的正常组织中。除此之外，影响转移级联反应的后续步骤也可能促进肿瘤转移，例如抑制免疫系统功能促进癌细胞在循环系统存活，或促进血管生成从而促进癌细胞定植等。体外transwell实验检测细胞侵袭能力时，通常分为一个上室和一个下室，中间由一层多孔聚碳酸酯膜隔开，膜上铺有一层人工重构的基质胶，主要成分是层粘连蛋白、IV型胶原等，模拟了体内细胞需要突破的基底膜和细胞外基质屏障，因此transwell实验直接模拟了转移级联反应中“局部侵袭”的过程，并且部分模拟了“内渗”中癌细胞穿越血管壁的物理过程。大部分文献中的结果都显示肿瘤细胞transwell能力与体内转移能力存在相关性。本文发现肿瘤细胞transwell能力不变但转移增强，可能是由于不影响局部侵袭能力，而促进转移级联反应后续步骤，例如促进了癌细胞在循环中的免疫逃逸能力，促进癌细胞适应目的器官微环境、促进转移灶血管生成等）。对人类乳腺癌样本进行病理学分析，研究人员进一步证实了线粒体在肿瘤扩散中的关键作用。数据显示，转移性癌细胞的线粒体含量显著增加（图4n,o）。总之，这些结果表明，神经元向癌细胞的线粒体转移可能通过增强细胞对环境胁迫（如氧化应激和流体剪切力）的适应能力，进而通过适应性机制提升其转移潜能。

图4.神经元向癌细胞的线粒体转移增强癌细胞氧化磷酸化、干性及对抗转移胁迫的抵抗力

8.受体肿瘤细胞在转移过程中的命运

原发瘤与转移瘤之间线粒体含量的差异提示，获得线粒体的癌细胞可能具备更强的转移潜能。转移级联反应本身效率极低，癌细胞在扩散过程中需克服多重应激障碍才能实现远端定植。而代谢重编程与可塑性是癌细胞转移的关键适应机制（小编注：转移级联反应是指癌细胞从原始肿瘤（原发灶）脱离，扩散到身体远处器官并形成新的肿瘤（转移灶）的一系列步骤，主要过程是局部侵袭-内渗-在循环系统存活-外渗-形成微转移灶-定植。首先是“局部侵袭”，原始癌细胞通过分泌酶（如基质金属蛋白酶）降解细胞外基质和基底膜，从而侵犯到周围的正常组织中；随后是“内渗”，癌细胞穿过血管壁和淋巴管壁，进入管腔中从而有机会运输到远处组织中；接下来，癌细胞需要在循环系统中应对机械应力和免疫细胞的攻击；存活下来的癌细胞随着循环系统到远处器官的微小毛细血管区域，并再次穿过血管壁，进入目的器官的组织间隙，这一过程称为“外渗”；然而，成功外渗到新器官的癌细胞并不一定能立即形成新的肿瘤，它们可能保持休眠状态数月甚至数年，当它们适应了新的微环境，并开始增殖形成一小团细胞时，就真正成为微转移灶。接下来，微转移灶需要诱发血管生成以获得足够的氧气和营养物质，同时克服新环境中的生长抑制信号，只有当微转移灶成功建立了自己的血液供应并持续增殖，才能发展成有临床意义、可检测到的转移瘤，从而完成整个定植过程，这也是整个转移过程中最困难、效率最低的一步。转移级联反应阐明了癌症从局部逐步发展到全身的过程，也为针对每一环节开发抑癌药物或治疗方式提供了思路。这里说转移级联反应本身效率低，是指每个环节癌细胞都需要克服重重困难，例如内渗过程中，脱离了原始细胞外基质的癌细胞可能会触发凋亡过程而无法存活；在循环系统中运输时，癌细胞需要面对复杂的生存环境并可能被免疫细胞清除；即使运输到了微小毛细血管区域，癌细胞也可能因为不适合在该器官生存或无法与血管内壁黏附等而无法顺利外渗。但是，也正是因为癌细胞转移级联反应的低效率且步骤繁多，才为临床干预提供了许多潜在的治疗靶点（例如，阻止内渗、增强免疫清除、抑制血管生成、靶向休眠细胞等））。因此，研究人员推测神经元来源的线粒体能增强癌细胞的代谢适应性和应激抵抗力，促进癌细胞的扩散与远端定植。为验证该假说，研究人员进行了谱系追踪实验，以追踪原发肿瘤中接收神经元线粒体的癌细胞的命运。

研究人员构建了一个用于研究神经-癌线粒体转移的临床前模型（图5）。将MitoTRACER共培养体系与4T1乳腺脂肪垫移植瘤模型结合起来，以探究三阴性乳腺癌（TNBC）的进展和转移过程 。具体而言，将MitoTRACER共培养得到的混合细胞球（图5a）植入小鼠乳腺脂肪垫，待移植瘤长到合适体积后，分别从原发瘤及TNBC常见转移部位肺和脑中收集癌细胞，并通过流式细胞术检测4T1Red+与4T1Green+细胞的比例（图5b）。结果显示，原发瘤中4T1Green+癌细胞平均约占癌细胞总数的5.4%，而在肺和脑转移灶中，这一比例分别显著富集至27.3%和46.0%（图5c）。这表明在原发瘤中获得SVZ-NSC线粒体的癌细胞（或其子代）更容易成功形成远端转移。为进一步探究宿主神经元介导的线粒体转移，研究人员在小鼠的DRG内注射由synaptin1启动子驱动的MitoTRACER慢病毒（LV-CRE-OMP25），对照组注射不可转移的核定位突变体（LV-CRE-NLS）。10天后，向小鼠乳腺脂肪垫注射表达TEVp的4T1LoxP–DsRed–Stop–LoxP–GFP细胞；3周后切除肿瘤并检测eGFP荧光（图5d,e）。结果显示，原发瘤中仅检测到1.6% eGFP⁺细胞，低于此前混合细胞球模型中的5.4%，这可能是由于体内神经元密度低于体外共培养体系，导致原位瘤模型中向癌细胞转移的线粒体数量较少，使eGFP⁺细胞数量低于细胞球模型。进行谱系追踪后发现，脑和肝转移灶中eGFP⁺受体细胞显著富集，明显高于原发瘤（图5f）。

研究人员进一步在B16-F10黑色素瘤移植瘤模型中进行实验，探究神经介导的线粒体转移是否同样影响远端转移。结果显示，在黑色素瘤中，原发瘤和转移瘤内线粒体转移的现象与乳腺癌模型基本一致，但黑色素瘤的线粒体转移率低于4T1乳腺癌模型。此外，黑色素瘤模型中肺和肝转移灶内绿色eGFP⁺细胞并未显著富集，而脑转移灶则出现明显富集，这进一步证明神经元线粒体转移可能促进多种类型肿瘤的脑转移（图5g）。

图5.体内乳腺癌扩散过程中神经元向癌细胞线粒体转移的谱系追踪

总结

本研究揭示了神经元通过线粒体转移促进乳腺癌转移的新机制。研究人员发现，乳腺癌细胞与肿瘤微环境中的神经元进行密切交流，神经元通过隧道纳米管等结构将功能性线粒体转移至癌细胞。团队创新性开发了MitoTRACER遗传报告系统，证实获得神经元线粒体的癌细胞表现出显著的代谢重编程、干性增强和转移应激抵抗能力。通过多模型验证，发现这些癌细胞在转移灶中的富集程度是原发灶的5-8倍，尤其在脑转移中表现突出。临床样本分析显示，神经浸润区域的癌细胞线粒体含量显著增加，而去神经处理可降低癌细胞线粒体负荷。本研究首次阐明神经元-癌线粒体转移是驱动肿瘤代谢可塑性与转移潜能的重要非自主途径，为开发靶向神经-肿瘤互作的抗转移疗法提供了新思路。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09176-8