骨骼是癌症早期转移最常见的部位之一，也是癌细胞恶化的“温床”。为什么癌细胞偏偏先找坚硬的骨头下手?浙江大学医学院附属邵逸夫医院范顺武、林贤丰团队的最新研究发现：它们是冲着破骨细胞来的——人体中唯一具有泌酸溶骨功能的细胞。通过贴身“投喂”，癌细胞会“催熟”破骨细胞，并使之融合成体积更大、破坏力更强的肿瘤偶联破骨细胞(Tumasteoclast)，它就像一台疯狂的“破冰机”，在坚硬的骨头上开辟宜居地带。

基于这一发现，研究团队提出新颖的骨转移“熔断”策略：在骨骼表面布放纳米级的“反破骨地雷”，一旦癌细胞与破骨细胞偶联起来，“地雷”就会即刻触发，物理性杀伤肿瘤偶联破骨细胞，将骨转移遏制于“摇篮”之中。2024年3月18日，相关论文“靶向初始肿瘤-破骨时空互作以预防肿瘤骨转移”(Targeting initial tumour-osteoclast spatiotemporal interaction to prevent bone metastasis)在Nature Nanotechnology发表。

石头何以变“温床”?

肿瘤转移是癌症发展过程中最为凶险的一环。一部分癌细胞会进入血液，随血液循环全身“游走”，然后在远离原发灶的部位“定居”下来。临床统计显示，骨骼是癌症最早发生的部位之一;癌细胞还常以骨骼为“跳板”，二次扩散到肝、肺、脑等其他脏器。

令人困惑的是，坚硬骨骼似乎并不“宜居”。骨组织中大量钙盐组成了坚固的“铜墙铁壁”，显然会大大妨碍癌细胞的增殖和生长。但事实上，由于骨髓中含有丰富的细胞生长因子，相对于其他部位的转移，骨转移灶的发展速度反而更快。这让范顺武非常疑惑：既然“软化”骨基质是肿瘤转移的前提条件，癌细胞是怎么“啃”下硬骨头的呢?“癌细胞要扩散到骨头，就像要在石头上种花。”范顺武认为，找到其中的答案，就有可能找出早期预防骨转移的方法。

在一次观察转移灶的切片时，博士生顾辰辉注意到转移灶周围环绕了许多破骨细胞。虽说这一幕作为经典现象早已被被前人所观察，但研究团队认为，以往的研究还不能完全解释如此近距离、高密度的原因。“癌细胞和破骨细胞贴得这么近，是在做什么呢?”这个关键问题把他们引向了一个全新发现。

贴身“投喂”破骨细胞

破骨细胞是人体中唯一具有泌酸溶骨功能的细胞，它们平时以“预备役”状态待在骨组织中，在一定条件下，它们能被激发并“合体”成巨大的多核的成熟破骨细胞。少量成熟的破骨细胞负责吸收骨质，然后由成骨细胞分泌钙盐重新生成骨质，从而维持一定的骨更新水平。“这一过程类似于修补破损的路面，破骨细胞负责铲平破损的‘路面’，再由成骨细胞重新铺设路面”。顾辰辉说。在临床上，破骨细胞的过度活跃是导致骨质疏松的直接原因之一。

研究团队首先发现了癌细胞的“作案工具”。在扫描电子显微镜下，顾辰辉发现肿瘤偶联的破骨细胞的边缘非常毛糙，原来那是许多1微米左右的带柄囊泡。研究团队判断，这是清华大学的俞立教授最新发现的一种新的细胞器——迁移体。“我们观察到的囊泡与迁移体无论是在形成过程、外形、尺寸上都十分相似”。顾辰辉说。

原来，癌细胞一“着陆”骨表面就向破骨细胞大献“殷勤”。它们通过迁移体向破骨细胞传递RNA、蛋白质等胞质成分，大批量“催熟”破骨细胞。 打开癌细胞呈递的这份“菜谱”，其中含有非经典破骨分化转录复合体相关mRNA。“癌细胞来源的mRNA能让破骨前体细胞在非正常状态下分化为破骨细胞。”博士生田洪森说。“癌细胞是一种代谢旺盛的细胞，它特殊的RNA和蛋白质可以加速普通细胞的代谢”，陈鹏飞博士解释，“它让破骨前体细胞融合成了‘彪形大汉’”。

研究团队认为，这种肿瘤转移灶中的肿瘤偶联破骨细胞在诱导方式、诱导媒介和转录模式上均具有和以往发现的破骨细胞的不同，因此是一种破骨细胞的新亚型。“我们将它命名为Tumasteoclast(TAOC)，来定义它是一种和肿瘤(Tumor)偶联的破骨细胞(Osteoclast)”，林贤丰研究员说。经过“催熟”与融合，新的癌细胞偶联破骨细胞一台疯狂分泌酸性物质的机器，帮助癌细胞吸收骨质，铲除障碍。

巧设“地雷”遏制转移

在临床上，癌细胞骨转移十分常见，从医40多年的范顺武接触过许多患者，他们经受着关节疼痛、行动不便的痛苦，原因就可能与癌细胞的骨转移有关。据介绍，目前关于骨转移的诊疗仍存在局限性：病灶一般要达到毫米级尺度才能被X光和CT等影像学手段检测到。“我们必须找到一种方法，在癌细胞早期诱导破骨细胞时就‘歼灭’它们。”范顺武说，只有实现细胞级别的肿瘤杀伤，才有可能将骨转移扼杀于“摇篮”之中，达到预防骨转移的效果。

基于新的研究发现，研究团队提出：把癌细胞与破骨细胞的“偶联”行为作为药物靶向的目标。“癌细胞是很狡猾的，常规使用的癌细胞靶中，经常以特定的分子来作为靶标，但癌细胞可能采取‘易容’等手段逃避识别。”林贤丰介绍，他们提出思路是以癌细胞与破骨细胞的偶联“行为”作为靶标。

研究团队曾经研发可以在破骨细胞的酸性封闭区特异性释放“小苏打”(碳酸氢钠)脂质体，用于骨质疏松中破骨细胞的抑制，相关研究发表在JACS杂志。受这一策略的启发，他们研发了一种新型“反破骨地雷”。陈鹏飞介绍，在这枚纳米尺度的脂质体“地雷”中有两种物质：一种是碳酸氢钠，能和破骨细胞分泌的酸反应产生气体，从而引爆“地雷”;另一种是磷酸氢二钠，在“地雷”引爆后磷酸氢根离子会与原位的钙离子形成“锋利”的钙磷结晶，“刺”入癌细胞的细胞膜，对癌细胞造成物理破坏。

团队还在“反破骨地雷”表面嵌入了一些四环素分子，它们能让“地雷”定向地布放到骨骼表面。一旦癌细胞偶联破骨细胞“勾结”，它们分泌的酸性物质马上会引爆“地雷”。“这时癌细胞就踩到‘地雷’，变成‘显眼包’了。”林贤丰介绍，“地雷”引爆后形成大量钙磷结晶能有效杀伤癌细胞。由于碳酸氢钠和磷酸氢钠都是体内已有物质，具有生物安全性。这一方案已经在骨转移小鼠模型中得到验证。研究团队称，经过纳米脂质体治疗的小鼠，“清扫”效果令人惊喜。动物实验证明，团队研发的材料和PD-1单抗联合治疗的骨转移灶抑制率可以达到90%左右。

本进展研究团队主要成员合影

目前，团队完成了多种动物肿瘤骨转移模型效果的验证，并且同步递交发明专利，着手进行临床转化。研究团队认为，这项研究的成功得益于浙大的学科交叉优势和附属邵逸夫医院的自由探索氛围。邵逸夫医院骨科团队长期耕耘在骨肌系统疾病机制和生物材料治疗策略，积极探索临床转化的可能性。研究创新性得到了审稿人的一致认同，并受到编辑部邀请在“Behind the Paper”栏目发表Tumor-Osteoclast Spatiotemporal Coupling: A Cell Behavior Target for Bone Metastasis Prevention。

浙江大学医学院附属邵逸夫医院林贤丰主治医师/特聘研究员、范顺武教授为本文的共同通讯作者，浙江大学医学院附属邵逸夫医院顾辰辉博士生、陈鹏飞博士和田洪森博士生为本文的共同第一作者。研究工作得到国家自然科学基金(82322043，92268113，82072414，82372454)等课题项目的资助。

研究概念图：肿瘤细胞(左下)通过迁移体向肿瘤偶联破骨细胞(TAOC，右上)进行“贴身投喂”

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41565-024-01613-5