警惕！中科院Cell子刊发文：果糖抑制M1型肿瘤相关巨噬细胞极化，促进结直肠癌进展

原创1610阅读 2025-03-31 10:10:22

Highlights

1. 果糖抑制M1样肿瘤相关巨噬细胞极化

2. 果糖增强BMDM中HK2和ITPR3之间的相互作用

3. 果糖通过调节钙通量抑制炎性小体的形成

4. 巨噬细胞GLUT5表达与人结直肠癌进展呈正相关

近日，“Cell Metabolism”（IF=27.7）上发表了一篇题为“Hexokinase 2 senses fructose in tumor-associated macrophages to promote colorectal cancer growth”的文章。这篇文章研究了果糖在结直肠癌中的作用，特别是在肿瘤免疫微环境中的功能。

研究背景介绍

己糖激酶2（HK2）是一种在细胞糖代谢中起关键作用的酶，它催化葡萄糖和果糖的磷酸化，是糖酵解过程的第一步。

肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）是肿瘤微环境中的一种免疫细胞，它们可以极化为M1型（抗肿瘤）和M2型（促肿瘤）两种表型。TAMs在肿瘤进展中扮演着复杂的角色，可以促进或抑制肿瘤生长。

ITPR3是一种内质网钙通道，参与细胞内钙离子的调节。

研究思路分析

研究技术路线图

01果糖对肿瘤生长及相关模型中M1样TAM的影响

①实验采用自发腺瘤和原位肿瘤模型。APCmin/+小鼠模型，是肠道肿瘤生成的广泛接受模型。给携瘤小鼠控制性地注射了已知不会引起肥胖或相关代谢综合征的果糖剂量。通过灌胃给APCmin/+小鼠每天喂食400 mL的25%高果糖玉米糖浆（HFCS），结果发现，HFCS处理显著增加了大腺瘤的数量，但总腺瘤数量与对照组相当。此外，HFCS处理未导致肥胖或相关并发症，如葡萄糖和胰岛素耐受性异常。

②从分别喂食水和HFCS两组小鼠中收集了粪便样本，并通过16S rDNA测序分析了细菌DNA。结果显示，HFCS喂养的小鼠与水喂养的小鼠在细菌组成上有显著差异，表现出细菌数量减少和多样性降低。粪便移植实验结果显示，HFCS引起的失衡对腺瘤总数没有显著影响，但确实导致大腺瘤（直径>2毫米）数量略有增加。

③为了评估HFCS补充饮食对肿瘤浸润免疫细胞（TIICs）的影响，通过荧光流式细胞术测量了腺瘤中浸润的髓系细胞和淋巴系细胞的比例。发现只有TAMs的比例显著降低，尤其是M1样TAMs，而其他免疫细胞比例基本不变。研究进一步发现HFCS处理降低了M1样TAMs的比例，同时减少了其相关细胞因子的分泌，而M2样TAMs的比例不受影响。通过与等热量葡萄糖处理对比，发现果糖对肿瘤生长和M1样TAMs的影响具有特异性。

④建立了结直肠癌原位小鼠模型，在盲肠末端注射CRC细胞系MC38，1周后通过口服灌胃给予25% HFCS或25%葡萄糖。结果显示，HFCS处理显著增加了肿瘤重量，同时降低了TAMs和M1样TAMs的比例，减少了促炎因子的水平，而M2样TAMs的比例不变。此外，粪便移植模型评估表明，M1样TAMs比例的降低不是由肠道微生物失衡引起的。在肿瘤早期阶段收获免疫细胞发现，即使肿瘤大小相同，HFCS处理仍降低了TAMs和M1样TAMs的比例。

02果糖对M1样TAM极化的影响机制探究

①为了研究果糖对M1样TAMs比例的影响，将骨髓来源的巨噬细胞（BMDMs）暴露于经6 mM果糖预处理的MC38细胞条件培养基中。结果发现，与细胞外葡萄糖相比，细胞外果糖阻碍了BMDMs向M1样TAMs的极化，对M2样TAMs影响较小。果糖抑制了一系列M1样TAMs相关细胞因子的分泌和基因表达，而对M2样巨噬细胞相关细胞因子无影响。进一步研究发现，葡萄糖对M1样巨噬细胞极化无影响，且HMGB1是肿瘤条件培养基中驱动TNF-α表达的因素之一。

②果糖主要通过GLUT5、GLUT2和GLUT8进行运输，其中GLUT5专门运输果糖。通过生成GLUT5髓系条件敲除小鼠，发现敲除GLUT5可显著降低BMDMs对果糖的摄取，且消除了果糖对TAM极化的影响。在体内实验中，饮食果糖补充未能促进GLUT5敲除小鼠的肿瘤生长，且这些小鼠中M1样TAMs的比例增加。

③比较肝细胞和巨噬细胞中KHK的表达，发现巨噬细胞中KHK表达水平显著较低。敲低BMDMs中的KHK及其下游代谢酶，发现对果糖暴露下的M1样TAM极化无影响，推测果糖在巨噬细胞中可能通过HK2代谢。进一步研究发现，果糖主要与HK2结合，且其抑制M1样TAM极化的作用独立于其下游代谢产物。

03果糖通过HK2影响细胞内钙信号及相关作用

①通过13C-果糖示踪实验发现，巨噬细胞中果糖代谢缓慢，可能不是通过其下游代谢物发挥作用，而是可能作为调节巨噬细胞极化的信号信使。对暴露于果糖的BMDMs进行HK2免疫沉淀，发现HK2与ITPR3存在关联，且果糖处理显著增强了这种相互作用。通过共免疫沉淀和免疫荧光等方法进一步验证了这种相互作用，且发现果糖介导的HK2与ITPR3的相互作用独立于GLUT5。通过结构预测和实验验证，确定了HK2与ITPR3的结合位点。此外，果糖似乎通过HK2抑制了ITPR3与线粒体VDAC1的相互作用，从而可能影响巨噬细胞的极化过程。

②ITPR3/VDAC复合物在ER与线粒体相关的膜（MAM）中形成，对钙稳态至关重要。通过透射电子显微镜观察发现，果糖处理显著减少了BMDMs中ER和线粒体之间的接触长度，但不影响线粒体的数量和长度，而敲除Glut5或恢复HK2突变体可逆转这一影响。进一步研究发现，果糖处理降低了线粒体钙信号，阻断果糖摄取或干扰HK2与ITPR3的相互作用可逆转这一影响。同时，果糖也抑制了细胞内钙浓度的升高。

③钙内流在M1样巨噬细胞极化中起着重要作用。分析发现，果糖处理降低了p38和STAT1的磷酸化水平，而GLUT5敲除或HK2与ITPR3相互作用的破坏可逆转这一影响。果糖还通过钙内流抑制NF-kB激活和NLRP3炎症小体的活性。果糖处理降低了线粒体ROS和切割的caspase-1和IL-1β的水平。阻断果糖摄取或HK2与ITPR3的相互作用可逆转果糖对NF-kB和NLRP3炎症小体的抑制。此外，果糖通过钙内流抑制M1样巨噬细胞极化，这一效应依赖于果糖的摄取和HK2与ITPR3的相互作用。

04果糖促进肿瘤生长的综合验证及临床相关性

①通过体外和体内实验验证果糖在促进肿瘤生长中的作用。体外实验中，将MC38细胞与果糖预处理或未处理的BMDMs共培养，发现果糖预处理的BMDMs可显著减少MC38细胞凋亡。进一步研究发现，GLUT5敲除或HK2突变可抵消果糖对MC38细胞凋亡的抑制作用。在体内实验中，通过盲肠注射小鼠模型发现，HK2突变在正常饮食下不影响肿瘤生长，但在果糖处理下抑制肿瘤生长，且HK2突变增加了M1样巨噬细胞的比例，降低了肿瘤组织中cleaved IL-1β的表达。

②分析来自早期CRC（无转移）和晚期CRC（伴有淋巴结或肝脏转移）单细胞RNA测序数据集。结果发现，在CRC的早期和晚期阶段，巨噬细胞中GLUT5表达均显著升高，而KHK表达较低，HK2在大多数肿瘤浸润免疫细胞中高表达。进一步研究发现，高表达GLUT5的巨噬细胞中HK2表达更高，炎症反应相关基因表达更低。通过对结直肠癌手术活检组织进行共免疫染色，发现CD68阳性TAMs中GLUT5表达在结直肠癌进展过程中增加，且与IL-1β+M1样巨噬细胞水平呈负相关。此外，高GLUT5水平的TAMs与较差的临床预后相关。