线粒体、代谢和生物能量适应性驱动结直肠癌细胞可塑性并影响其化疗敏感性：从机制到临床意义的深度探究

在癌症研究的领域中，线粒体一直是备受关注却又充满谜团的存在。线粒体作为细胞的 “能量工厂”，在癌细胞的代谢过程中起着核心作用。然而，目前仍不清楚线粒体在癌症中是否存在特定的原型，其结构和功能的异质性在不同癌细胞中的具体情况也尚不明确。同时，由于线粒体功能受到多种因素影响，且许多变化无法通过转录组学检测，这使得评估线粒体功能面临挑战。此外，以往对缺氧条件下癌细胞线粒体作用的认识存在误区，低估了其在癌症中的角色。在这样的背景下，为了深入了解线粒体在癌症中的奥秘，来自瑞士伯尔尼大学、俄罗斯喀山联邦大学等机构的研究人员开展了关于结直肠癌（Colorectal Cancer，CRC）细胞线粒体的研究。该研究成果发表在《Cell Death and Disease》上，为癌症治疗带来了新的曙光。
研究人员采用了多种关键技术方法。在细胞实验方面，培养多种 CRC 细胞系，通过一系列检测手段评估细胞增殖、线粒体相关指标等。利用蛋白质组学技术，对线粒体蛋白进行分析，以探究线粒体的结构和功能差异。运用 Seahorse XFe96 分析仪测定细胞的生物能量学参数，包括氧消耗率（Oxygen Consumption Rate，OCR）和细胞外酸化率（Extracellular Acidification Rate，ECAR），从而深入了解细胞的代谢特征。
下面来看具体的研究结果：

1. CRC 细胞线粒体生物量的差异：研究人员选取了八个不同的 CRC 细胞系，通过分析公开的 RNA - seq 数据集和进行主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），发现不同细胞系的线粒体功能存在显著差异。利用 MitoTracker 染色评估线粒体生物量，结果显示 LS123 细胞的线粒体含量最高，而 COLO - 320 和 HCT - 15 细胞系的线粒体水平则大幅降低。进一步分析 mtDNA 转录本水平、mtDNA 拷贝数以及线粒体蛋白密度等，发现 COLO - 320 和 HCT - 15 细胞系线粒体生物量的减少主要是由于线粒体组装或周转受损，而非核基因表达的影响。此外，研究还发现线粒体生物量与细胞增殖率相关，COLO - 320 和 HCT - 15 细胞系虽线粒体生物量低，但增殖率高，表明线粒体生物量的优化是某些 CRC 亚群的重要癌症适应机制。
2. CRC 细胞线粒体的异质性和功能特化：对线粒体进行蛋白质组学分析，PCA 和层次聚类揭示了不同 CRC 细胞系线粒体的高度异质性，且可分为四个不同的线粒体亚群，与 CMS 分类并不完全一致。通过 K - means 聚类和富集分析，发现线粒体中存在显著的蛋白质网络差异，一些与 CRC 代谢重编程相关的术语在特定聚类中富集，表明线粒体变化在 CRC 代谢重编程中起关键作用。比较 SW480 和 SW620 细胞系（分别来自原发性和转移性位点），发现转移性 SW620 细胞系的关键线粒体功能上调，同时下调了与细胞死亡和免疫检测相关的蛋白，显示出独特的线粒体适应性。
3. CRC 细胞的生物能量策略和线粒体功能变化：利用 JC - 1 染色发现，SW480、SW403 和 SW48 细胞的线粒体膜电位（Mitochondrial Membrane Potential，MMP）较高，而 COLO - 320 和 HCT - 15 细胞则有高比例的低 MMP 细胞。线粒体 ROS 产生在某些高线粒体生物量的细胞系中较高，暗示部分 CRC 细胞可能存在线粒体功能障碍。Seahorse XFe96 分析仪检测结果表明，不同细胞系的呼吸和糖酵解相关参数存在差异，一些细胞系如 COLO - 320 和 HCT - 15 呼吸活性低，而 SW48 和 SW403 细胞虽线粒体密度高但呼吸活性也低。同时，研究发现细胞的呼吸和糖酵解存在互补关系，低 OXPHOS 的细胞倾向于上调糖酵解。在转移性 SW620 细胞系中观察到 “生物能量优化” 模式，其线粒体性能增强且糖酵解通量增加，促进了细胞增殖。
4. CRC 细胞生物能量谱与代谢物分布的关联：通过计算 OCR/ECAR 比值，将 CRC 细胞分为三个生物能量组，分别为高 OXPHOS、低糖酵解组，中间组和高糖酵解、低线粒体呼吸组。分析代谢物数据发现，高 OXPHOS 细胞具有特定的代谢物特征，如长链不饱和磷脂酰胆碱和不饱和胆固醇酯水平升高，以及参与脂肪酸氧化（Fatty Acid Oxidation，FAO）的代谢物增加等；而糖酵解细胞则表现出不同的脂质谱和代谢物特征，如短链饱和磷脂酰胆碱和特定的肉碱增加，还积累了与信号传导、代谢和致癌相关的代谢物，如 NADP、2 - 羟基戊二酸（2 - Hydroxyglutarate，2 - HG）等。PCA 和聚类分析进一步证实了生物能量谱与代谢组特征之间的紧密联系。
5. 代谢和稳态靶向治疗的疗效与多种因素的关系：用 18 种靶向线粒体和代谢过程的化合物以及常规化疗药物处理 CRC 细胞，分析发现不同药物的疗效与细胞的生物能量学、线粒体参数和代谢物水平相关。例如，针对 ETC 复合物的抑制剂对高糖酵解和特定线粒体特征的细胞更有效；一些代谢过程抑制剂的疗效与线粒体呼吸存在一定关联；针对线粒体稳态的化合物对不同线粒体特征的细胞效果不同；常规化疗药物的疗效也与细胞的生物能量学和代谢物水平相关，且线粒体去极化与细胞凋亡、增殖抑制或细胞死亡并不总是一致。
6. 基于线粒体、生物能量和代谢特征的癌症分层对治疗的意义：开发药物反应相关评分，发现不同治疗与线粒体特征存在不同的关联模式。分析药物反应评分与 OXPHOS 和糖酵解水平的关系，发现靶向线粒体的治疗对高 OXPHOS 水平的细胞更有效，而糖酵解型细胞对 ETC 复合物 I 和 III 的抑制剂更敏感。通过分析代谢物与治疗结果的关联，确定了一些与药物反应参数强相关的代谢物，这些代谢物可能作为生物标志物或潜在的治疗靶点。
   研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了 CRC 细胞线粒体的高度异质性，包括生物量、蛋白质密度和组成的差异。线粒体在癌症细胞中可能作为 “分子海绵”，高效吸收和整合线粒体蛋白，而不增加数量或生物量。蛋白质组学分析显示线粒体存在显著的结构和功能异质性，这为进一步研究线粒体在癌症中的作用提供了方向。研究还发现代谢靶向治疗的疗效与细胞的线粒体、生物能量和代谢状态密切相关，某些代谢物可作为生物标志物预测治疗效果，这表明癌症治疗应更加个性化，根据患者细胞的代谢活性进行分层，以提高治疗效果。这项研究为癌症治疗开辟了新的思路，为未来的临床实践提供了重要的理论依据，有望推动癌症治疗领域的进一步发展。