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Science揭秘癌细胞如何“废物利用”后加速生长

2017.10.23

  与正常细胞相比,快速生长的细胞,尤其是癌细胞,贪婪地消耗着营养物质,同时,还会产生过量的代谢废物。氨就是其中的一种代谢产物,通常通过血管被运输到肝脏中。在这里,氨会被转换为毒性更低的物质,并以尿素的形式排出体外。然而,由于肿瘤几乎没有血管,因此,氨会以对很多细胞来说有毒性的浓度在肿瘤局部环境中积累。

  这项新研究发现,这种积累非但没对癌细胞产生伤害,还成了一种有利因素:癌细胞可将氨作为一种氮源给肿瘤生长添加“燃料”。氨的存在加速了培养的乳腺癌细胞的增殖,而抑制氨代谢则会阻碍小鼠的肿瘤生长。

  论文的通讯作者Marcia Haigis感慨道:“传统来说,由于具有非常高的毒性,氨被认为是一种必须被清除的代谢废物。然而,我们却发现,氨不仅对乳腺癌细胞没有毒性,还能够成为肿瘤生长所需的物质来源。”

  调查方法

  为了调查肿瘤如何处理如此高浓度的氨,Haigis和她的同事们利用一种技术对谷氨酰胺(glutamine)上的氮进行了标记。当谷氨酰胺在细胞代谢过程中被分解时,含有标记氮的氨会作为副产物被释放出来。

  为了追踪被标记的氨的命运,研究人员分析了乳腺癌细胞和移植到小鼠体内的人类肿瘤中200多种不同的细胞代谢物。结果发现,癌细胞能够非常高效地回收利用氨,将其融入到多种物质中,其中,最主要的是谷氨酸(氨基酸的一种)及其衍生物。数据显示,约20%细胞的谷氨酸池(glutamate pool)含有回收利用的氮。

  研究还发现,高浓度的氨似乎加速了实验室培养的乳腺癌细胞的生长。在3D培养中(这种技术能够让细胞就像在体内一样在所有方向上分裂),与未经氨处理的癌细胞生长情况相比,氨处理增加了癌细胞数量以及细胞簇(cell clusters)的表面积(增加的比例高达50%)。

  此外,在移植了人类乳腺癌细胞的小鼠中,氨也加速了肿瘤的生长和增殖。当研究小组阻断了谷氨酸脱氢酶(一种与氨执行其功能相关的酶)的活性时,肿瘤生长显著减缓了。

  研究意义

  论文的第一作者Jessica Spinelli说:“我们的成果证实,抑制氨代谢可阻碍小鼠肿瘤的生长。这表明,抑制氨的同化(小贴士:同化作用是生物新陈代谢中的一个重要过程,即把消化后的营养重新组合,形成有机物和贮存能量的过程。)或生产可能会成为设计抗癌疗法的一个新方向。”

  哈佛医学院官网的报道在最后总结道,该研究表明,氨的生物学作用需要重新被评估,这可能会帮助科学家们找到切断肿瘤必需营养物质来源的策略。接下来,研究者们将探索氨代谢在癌症中的治疗意义。

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