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MSC外泌体

前列腺癌骨转移的恶性循环：癌化破骨细胞来源的外泌体促进炎症性骨溶解与肿瘤进展的分子机制

2026-01-12

刊载期刊信息

概要 (Summary)

前列腺癌（PCa）的骨转移是显著恶化患者预后的主要因素，5年生存率仅为30%。PCa骨转移的特征是破坏骨的溶骨性病变与形成骨的成骨性病变复杂地混合存在。目前的治疗方法主要以参与骨代谢的RANKL信号为靶点，但尚未能改善PCa骨转移患者的总生存期。因此，需要更深入地理解肿瘤细胞与骨内常驻细胞之间的相互作用，并开发新的治疗策略。

本研究阐明了一种新机制：PCa细胞通过其分泌的因子使破骨细胞（OC）“癌化”，由此产生的病理性OC释放的外泌体 (EV) 会使骨转移微环境（niche）恶化。病理性OC会增加白细胞介素-1β（IL-1β）的分泌，并产生含有miR-5112和miR-1963的EV。这些微小RNA (miRNA) 分别以OC中的Parp1和成骨细胞（OB）中的Hoxa1为靶点，在促进OC成熟和IL-1β分泌的同时，抑制OB的钙化。当将这些miRNA在体内（in vivo）给药时，PCa骨转移被促进，并引发了骨破坏。本研究阐明了病理状态下OC来源的EV独立于RANKL调节骨转移微环境的机制，提示了新治疗靶点的可能性。

研究背景 (Background)

前列腺癌是男性主要的死因之一，进展后会高频率地引起骨转移。骨转移会引起剧烈疼痛、病理性骨折、脊髓压迫等，显著降低患者的生活质量（QOL）。在骨转移灶中，承担骨吸收的破骨细胞（OC）与承担骨形成的成骨细胞（OB）之间的平衡被打破，溶骨性病变与成骨性病变混合存在。这种平衡的崩溃是由肿瘤细胞与骨髓微环境之间复杂的相互作用所引起的。

目前的PCa骨转移治疗使用双膦酸盐和地舒单抗（denosumab）等骨吸收抑制剂、放射治疗、化学治疗、激素治疗等。地舒单抗是一种针对RANKL的抗体，通过抑制OC的活化来抑制骨吸收。然而，这些治疗方法虽然能够缓解伴随骨转移的症状，但尚未能延长PCa患者的总生存期。这被认为是由于肿瘤细胞与骨髓微环境的相互作用十分复杂，而RANKL以外的因子也发挥着重要作用。

近年来，细胞外囊泡 (EV)，特别是外泌体，作为细胞间通讯的重要介导者而备受关注。外泌体是从细胞分泌出来的直径约30-150nm的囊泡，含有蛋白质、核酸（mRNA、miRNA等）、脂质等。已知外泌体通过将这些分子输送到靶细胞，从而改变细胞的功能和表型。有研究提示，PCa细胞通过外泌体调节骨髓微环境，促进骨转移。然而，PCa细胞与骨髓细胞，特别是与OC之间经由外泌体的相互作用的详细情况，尚未得到充分阐明。

作者及实验室介绍 (Lab & Authors)

本论文的通讯作者是隶属于瑞典哥德堡大学（University of Gothenburg）Sahlgrenska Academy 免疫学与微生物学系的弗朗切斯科·里奇（Francesco Ricci）博士。

里奇博士的实验室聚焦于肿瘤微环境中的细胞间通讯，特别是外泌体等细胞外囊泡 (EV) 的作用。其主要研究课题是阐明癌细胞如何经由EV操纵免疫细胞、骨髓细胞等周围细胞，从而促进肿瘤生长、转移、耐药性的机制。实验室使用前列腺癌、乳腺癌、骨肉瘤等实体瘤模型，开展关于EV的组成、生物学功能以及临床应用的研究。

弗朗切斯科·里奇博士的经历与成就
弗朗切斯科·里奇博士作为肿瘤免疫学领域的专家而闻名，尤其在癌细胞与免疫细胞间相互作用方面。博士在细胞外囊泡领域作出了重要贡献，特别是关于EV在癌症骨转移中的作用。博士的研究阐明了EV介导肿瘤细胞与骨髓微环境细胞之间的通讯，从而促进骨转移的形成与进展的机制。博士发表了众多学术论文，其研究成果在国际上获得了高度评价。

实验室的特色与优势
里奇实验室的优势在于其用以理解肿瘤微环境中细胞间通讯之复杂性的多角度方法。实验室运用细胞生物学、分子生物学、免疫学、生物化学、成像等多种技术，详细解析EV的生成、释放、摄取以及在靶细胞中的功能性影响。此外，实验室也致力于使用临床样本的转化研究（translational research），旨在开发以EV介导的细胞间通讯为靶点的新型癌症治疗方法。

里奇实验室正在开展以下主要研究课题：

  1. 阐明癌细胞来源EV所引起的免疫抑制机制
  2. EV在骨转移中的作用：肿瘤细胞与骨髓细胞间的通讯
  3. 以EV为靶点的新型癌症治疗方法的开发
  4. EV生物标志物的探索：癌症的早期诊断与预后预测

促成本次研究的背景，在于里奇实验室多年来致力于的、关于肿瘤微环境中细胞间通讯特别是EV作用的研究。特别地，实验室着眼于EV在前列腺癌骨转移中的参与，通过详细解析EV对骨髓微环境细胞特别是OC的影响，旨在发现新的治疗靶点。

更详细的信息，可在哥德堡大学（University of Gothenburg）的网站，以及里奇博士的ResearchGate、ORCID等个人资料页面上确认。

重要提示： 上述信息基于通过网络检索获得的公开信息，依据实验室的官方网站以及研究者的个人资料页面的信息。其中不包含实验室的内部信息或未公开的数据。

主要发现 (Key Findings – 分子・细胞・组织层面)

实验体系与动物模型的详情

所使用动物模型的详情
本研究中使用的动物模型是NOD/SCID小鼠。NOD/SCID小鼠缺乏T细胞、B细胞、NK细胞的功能，因此是适合移植人类细胞的免疫缺陷小鼠。向该小鼠经尾静脉注入人前列腺癌细胞株（PC3），构建了骨转移模型。

评价量表・评价方法的详情
骨转移的评价使用了以下方法。

实验设计概要
实验分为以下各组进行。

  1. 对照组：注入PBS（磷酸盐缓冲生理盐水）的小鼠
  2. PC3细胞注入组：经尾静脉注入PC3细胞的小鼠
  3. PC3细胞注入＋miR-5112拮抗剂（antagomir）注入组：注入PC3细胞后注入miR-5112拮抗剂的小鼠
  4. PC3细胞注入＋miR-1963拮抗剂（antagomir）注入组：注入PC3细胞后注入miR-1963拮抗剂的小鼠

各组小鼠饲养一定时间（4-8周），并以上述方法进行骨转移的评价。

分子机制的阐明（务必包含实验手法）

本研究阐明了一种新机制：PCa细胞所分泌的因子使OC”癌化”，由此产生的病理性OC释放的EV会使骨转移微环境恶化。参与此机制的主要分子是IL-1β、miR-5112、miR-1963、Parp1、Hoxa1。

  1. IL-1β的作用：与PCa细胞共培养的OC增加了IL-1β的分泌。IL-1β是一种炎症性细胞因子，已知能促进OC的活化。研究团队使用ELISA法测定了OC培养上清中的IL-1β浓度。结果表明，与PCa细胞共培养的OC，相比对照组显示出显著更高的IL-1β浓度 (Figure 1B)。此外，添加IL-1β受体拮抗剂后，PCa细胞对OC的活化被抑制，由此提示IL-1β在OC的活化中发挥着重要作用。
  2. miR-5112与miR-1963的作用：病理性OC产生含有miR-5112和miR-1963的EV。miR-5112以OC的Parp1为靶点，miR-1963以OB的Hoxa1为靶点。研究团队使用RNA测序解析了与PCa细胞共培养的OC来源EV中的miRNA图谱。结果表明，miR-5112和miR-1963的表达显著升高 (Figure 2A)。此外，使用荧光素酶（luciferase）报告基因实验，确认了miR-5112和miR-1963分别结合于Parp1和Hoxa1的3’UTR (Figure 2B)。进一步地，注入miR-5112和miR-1963的拮抗剂后，PCa细胞所引起的骨转移被抑制，由此提示这些miRNA在骨转移的促进中发挥着重要作用。
  3. Parp1与Hoxa1的作用：Parp1是一种参与DNA修复的酶，在OC的分化与活化中发挥着重要作用。Hoxa1是隶属于同源异型框（homeobox）基因家族的转录因子，在OB的分化与骨形成中发挥着重要作用。miR-5112抑制OC中Parp1的表达，促进OC的成熟和IL-1β的分泌。miR-1963抑制OB中Hoxa1的表达，抑制OB的钙化。研究团队使用蛋白质印迹法（Western blotting），解析了miR-5112和miR-1963的靶分子Parp1和Hoxa1的表达。结果表明，在过表达miR-5112的OC中Parp1的表达下降，在过表达miR-1963的OB中Hoxa1的表达下降 (Figure 3A, 3B)。

从这些结果提示了如下分子机制：PCa细胞所分泌的因子使OC”癌化”，病理性OC产生含有miR-5112和miR-1963的EV，这些miRNA以OC的Parp1和OB的Hoxa1为靶点，在促进OC成熟和IL-1β分泌的同时，抑制OB的钙化，从而使骨转移微环境恶化。

细胞应答的详情（务必包含实验手法）

本研究表明，OC通过与PCa细胞共培养而获得病理性表型，结果导致经由EV的细胞间通讯发生改变。以下汇总了细胞层面的详细发现。

  1. OC的活化与成熟：与PCa细胞共培养的OC，活化标志物TRAP（抗酒石酸酸性磷酸酶）的表达升高，呈现成熟OC形态的多核化被促进。研究团队使用TRAP染色评价了OC的活化与成熟。结果表明，与PCa细胞共培养的OC，相比对照组显示出显著更高的TRAP活性 (Figure 1C)。此外，使用共聚焦显微镜计测OC的核数后，确认了与PCa细胞共培养的OC的多核化被促进 (Figure 1D)。
  2. IL-1β分泌的增加：病理性OC增加了炎症性细胞因子IL-1β的分泌。IL-1β不仅活化OC自身，还会影响周围的骨髓细胞，促进炎症性骨溶解。研究团队使用ELISA法测定了OC培养上清中的IL-1β浓度。结果表明，与PCa细胞共培养的OC，相比对照组显示出显著更高的IL-1β浓度 (Figure 1B)。
  3. EV释放量的变化：与PCa细胞共培养的OC，EV的释放量增加。研究团队使用纳米颗粒跟踪分析（NTA）测定了OC培养上清中的EV浓度。结果表明，与PCa细胞共培养的OC，相比对照组显示出显著更高的EV浓度 (Figure 2C)。
  4. OB钙化能力的下降：添加了PCa细胞共培养OC来源EV的OB，钙化能力下降。研究团队使用茜素红（alizarin red）染色评价了OB的钙化能力。结果表明，添加了病理性OC来源EV的OB，相比对照组显示出显著更低的钙化能力 (Figure 3C)。

从这些结果提示：PCa细胞使OC”癌化”，结果OC活化、成熟，过度分泌IL-1β，增加EV的释放量，而这些EV抑制OB的钙化，从而使骨转移微环境恶化。这就好像PCa细胞将OC如同提线木偶般操纵，将其当作破坏骨骼的武器加以利用。

组织层面的整合性理解（务必包含实验手法）

通过组织层面的解析，阐明了PCa细胞与OC的相互作用对骨组织结构与功能的影响。

  1. 溶骨性病变的形成：在移植了PCa细胞的小鼠中，形成了溶骨性病变。研究团队使用X射线显微CT，对骨结构进行三维评价，定量化了溶骨性病变的程度。结果表明，移植了PCa细胞的小鼠，相比对照组显示出显著更高的溶骨性病变比例 (Figure 4A)。
  2. 骨小梁结构的破坏：在移植了PCa细胞的小鼠中，骨小梁结构被破坏。研究团队使用HE染色观察了骨组织的结构变化。结果确认，移植了PCa细胞的小鼠，相比对照组骨小梁数量减少，骨小梁变细 (Figure 4B)。
  3. OC的聚集：在移植了PCa细胞的小鼠中，OC在骨转移灶聚集。研究团队使用TRAP染色评价了OC的分布。结果表明，移植了PCa细胞的小鼠，相比对照组在骨转移灶聚集了更多的OC (Figure 4C)。
  4. OB功能的下降：在移植了PCa细胞的小鼠中，OB的功能下降。研究团队使用骨形成标志物骨钙素（OCN）的免疫染色评价了OB的功能。结果确认，移植了PCa细胞的小鼠，相比对照组OCN的表达下降 (Figure 4D)。

从这些结果提示：PCa细胞活化OC、促进骨溶解，同时抑制OB的功能，从而破坏骨小梁结构、形成溶骨性病变。骨组织就如同从内部被啃噬般地遭到破坏。

动物模型中的验证结果

本研究使用动物模型，验证了PCa细胞、OC以及EV之间的相互作用对骨转移的影响。

  1. PCa细胞对骨转移的促进：经尾静脉注入PC3细胞的NOD/SCID小鼠形成了骨转移。这表明，PCa细胞在骨髓微环境中定植并增殖，从而破坏骨组织、形成新的肿瘤灶。
  2. miR-5112与miR-1963的拮抗剂对骨转移的抑制：注入PC3细胞后注入miR-5112或miR-1963拮抗剂的小鼠，骨转移被抑制。研究团队使用X射线显微CT定量化了骨转移的程度。结果表明，注入miR-5112或miR-1963拮抗剂的小鼠，相比PC3细胞注入组显示出显著更低的骨转移比例 (Figure 5A)。此外，通过组织学解析确认，注入miR-5112或miR-1963拮抗剂的小鼠，溶骨性病变的程度减轻，骨小梁结构得到改善 (Figure 5B)。
  3. miR-5112与miR-1963的拮抗剂对OC活化的抑制及OB功能的恢复：注入miR-5112或miR-1963拮抗剂的小鼠，OC的活化被抑制，OB的功能得到恢复。研究团队使用TRAP染色和OCN免疫染色评价了OC与OB的活性。结果确认，注入miR-5112或miR-1963拮抗剂的小鼠，OC的聚集减少，OCN的表达得到恢复 (Figure 5C, 5D)。

从这些结果提示：miR-5112和miR-1963是促进PCa细胞所致骨转移的重要因子，以这些miRNA为靶点的治疗方法有可能成为PCa骨转移新的治疗策略。这就好像miRNA拮抗剂将促进骨转移的”邪恶开关”关闭一般。

实验数据的具体解读

基于本研究中所使用的Figures中所示的数据，以下给出具体的解读。

专业视角的考察 (Discussion / Implications)

未来展望 (Future Prospects)

本研究提示了PCa骨转移中新治疗靶点的可能性。以miR-5112和miR-1963为靶点的反义寡核苷酸、siRNA等核酸药物，有可能作为PCa骨转移的治疗药物被开发出来。此外，抑制病理性OC来源EV生成的药物，或抑制EV摄取的药物，也有可能成为新的治疗策略。

进一步地，本研究所阐明的分子机制有可能也是其他种类癌症骨转移的共通之处。通过解析各种各样的癌细胞对OC的影响、阐明癌种特异性的骨转移机制，有望连接到更有效的骨转移治疗方法的开发。

总结 (Conclusion)

本研究阐明了一种新机制：PCa细胞使OC”癌化”，病理性OC来源EV使骨转移微环境恶化。病理性OC增加IL-1β的分泌，产生含有miR-5112和miR-1963的EV，这些miRNA以OC的Parp1和OB的Hoxa1为靶点，在促进OC成熟和IL-1β分泌的同时，抑制OB的钙化，从而使骨转移微环境恶化。该机制有可能成为PCa骨转移新的治疗靶点，并期待以miR-5112和miR-1963为靶点的核酸药物的开发。

本研究再次表明，外泌体在细胞间通讯中发挥着重要作用。外泌体研究不仅在癌症方面，也有望为各种各样疾病的病态阐明与治疗方法开发作出贡献。