作者：蔡尚實驗室
世界衛生組織資料顯示，在2020年全球新發癌症中，乳腺癌成為全球第一大癌，我國乳腺癌發病率也在逐年攀升。作為女性最常見的惡性腫瘤之一，影響乳腺癌進展的因素十分複雜且尚未明晰，科學家們一直致力於尋找導致乳腺癌惡化的驅動力，希望能找到對應的解決辦法。
近日，西湖大學生命科學學院蔡尚團隊取得重大突破。北京时間4月7日，他們在《細胞》（Cell） 線上發表了題為“Tumor Resident Intracellular Microbiota Promotes Metastatic Colonization in Breast Cancer”的最新研究論文，首次證實乳腺癌組織中存在多種獨特的“胞內菌”，並揭示它們在腫瘤轉移定植過程中所起的關鍵作用。這一理念是對傳統腫瘤轉移理論的重大突破，為深入理解腫瘤轉移及臨床治療乳腺癌提供了全新的思路。
論文截圖
原文連結：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674（22）00260-4
傳統觀念認為，因為免疫系統的存在，人體絕大多數組織器官（除腸道、口腔、皮膚外）內部處於無菌狀態，腫瘤組織亦然。
但在2020年左右，以色列及美國的部分科學家研究發現，細菌也是癌症本身的組成部分，它存在於結直腸癌以外更廣泛的癌症類型中，例如胰腺癌、肺癌、乳腺癌等。這類細菌絕大多數存在於細胞質內，稱之為“胞內菌”。
科學家們猜測，正是因為胞內菌位於腫瘤細胞內，所以才躲過人體免疫系統的攻擊，存活下來。
那麼，胞內菌在腫瘤發生、發展的過程中扮演著什麼樣的角色？是可有可無的旁觀者，還是推動腫瘤進展的參與者？
之前研究認為，腸道菌群可以通過調節免疫系統，或通過產生的代謝物間接調控癌症的進展，但是至今沒有證據表明腫瘤細菌能直接參與癌症的發生發展。尤其是在腫瘤中檢測到的細菌很少，讓人更加懷疑，這麼低生物量的腫瘤微生物，能否對腫瘤進展產生重大影響。
2017年，剛剛回國加入西湖大學的蔡尚，對這一問題啟動了專項研究。
蔡尚本科畢業於北大，博士畢業於印第安那大學，曾在斯坦福大學幹細胞與再生醫學研究所工作7年，一直專注於乳腺癌的研究。
基於經典的小鼠自發乳腺癌模型，蔡尚帶領研究團隊構建了嚴格的腫瘤菌群研究體系，探索腫瘤微生物在腫瘤進展中的作用。
彼時，“胞內菌”還是一個未被證實的猜想，他們的首要任務是找到“對手”。
“胞內菌”在腫瘤細胞內的含量很低，研究團隊不斷改良檢測和染色方法，提高了靈敏度、信噪比和準確性，終於觀察到小鼠腫瘤裏的細菌定位，並通過高解析度的電鏡清晰地看到了細菌存在於細胞質內。
小鼠自發乳腺癌模型中存在胞內菌
然後，探索這些細菌的功能成為他們的工作重點。
一個簡單的思路是：清除這些細菌，看看腫瘤會發生什麼變化。
常規的清除方法是使用抗生素。但如何確保抗生素只定向清除腫瘤細菌？
鮮有可以遵循的實驗方案。研究團隊一切從零開始，不斷優化抗生素的處理方法，調節抗生素組合種類和注射管道的搭配，最終實現“定向”清除腫瘤菌群的目的。
結果顯示，清除腫瘤菌群之後，腫瘤重量並沒有受到影響，但肺轉移顯著下降。這表明，腫瘤菌群很可能影響的不是腫瘤的生長，而是轉移過程。
抗生素清除實驗證明腫瘤菌群對於腫瘤轉移非常重要
基於此發現，研究團隊提出假設：腫瘤組織中的胞內菌會和腫瘤細胞一起遷移到達遠端器官並影響轉移。也就是說，腫瘤裏的細菌會跟著腫瘤細胞一起跑到身體的其他部分。
為了驗證這個假設，他們對原位腫瘤、肉眼可見的肺轉移灶、含有微小轉移灶的肺組織、以及正常的肺和乳腺組織進行細菌16S測序。分析結果顯示，早期肺轉移的細菌可能仍帶有原位腫瘤的菌群特徵，而隨著腫瘤的生長、擴散，漸漸開始受肺部微環境的影響。
再通過分離並染色迴圈腫瘤細胞，研究團隊看到迴圈腫瘤細胞能够帶著胞內菌“跑到”遠端器官；而回輸這些胞內菌到腫瘤細胞內，可以看到腫瘤細胞在人體內“跑動過程中的生存能力更强”，甚至那些不容易轉移的乳腺癌，在輸入胞內菌以後，也開始轉移。
這就有力地證明了胞內菌可以促進腫瘤細胞的轉移。
細菌回輸促進乳腺癌轉移
知其然，知其所以然。為什麼胞內菌可以促進腫瘤細胞轉移？
蔡尚解釋說，事實上，在轉移過程中，癌症細胞沒有我們想像中那麼“威力無邊”，血管裏的血壓（液流壓力）會對它造成損傷。但他們發現，胞內菌入侵腫瘤細胞後，會通過特定的訊號通路（RhoA-ROCK）來重塑細胞骨架，幫助腫瘤細胞抵抗血管裏的壓力，避免轉移過程中受到損傷。
這就完美解釋了為什麼擁有胞內菌的腫瘤細胞擁有更强的能力跑到遠端器官。
胞內菌的入侵重塑了腫瘤細胞的細胞骨架，以此來抵抗液流壓力的模式圖。
最後，研究團隊從小鼠回歸到人體，收集了配對的乳腺癌病人的腫瘤組織、癌旁組織和淋巴結組織，用qPCR結合16S測序定量和定性地分析各自菌群的組成。結果顯示，小鼠乳腺癌組織和人乳腺癌組織具有相同的微生物譜和動態變化，這表明，人乳腺癌菌群可能在人癌症發生和進展中起著相似的作用。
歷時近5年，從猜想、假設到一步步證實，蔡尚團隊的研究鑒定了腫瘤微環境中長期被忽視的新成分，揭示了影響腫瘤轉移的新因素，開拓了腫瘤研究的新方向，為臨床控制腫瘤轉移提供了全新的視角。
西湖大學生命科學學院蔡尚研究員為論文的通訊作者；西湖大學生命科學學院博士後付愛坤，西湖大學博士生堯冰清和董婷婷為本文的共同第一作者。此外，西湖大學高性能計算中心李南老師、黎航老師對本課題做出了重要貢獻。本課題受到國家自然科學基金委的資助；課題實施過程中得到了西湖實驗室、西湖大學實驗動物中心、生物醫學實驗技術中心、高性能計算中心的大力支持。
一場歷時5年的探險
看到研究結果的那一刻，蔡尚很興奮。
“這個課題風險很大，充滿未知，當我决定啟動研究的時候，連腫瘤菌群是否真的存在都極具爭議。”蔡尚說。
最初的idea來自蔡尚在斯坦福做博士後時的一次探討：什麼基因在影響乳腺癌腫瘤的發展。“構建誘導敲除基因的小鼠模型時，我意外地發現不需要敲除這個基因，只需要加入誘導劑（一種抗生素），腫瘤的轉移就會受到影響。我覺得很不可理解。”
2016年，在實驗過程中，抗生素又一次引起了蔡尚的關注。此前有文章報導說，抗生素會影響腫瘤的進展，但原因眾說紛紜。蔡尚敏銳地意識到，腫瘤的轉移可能與抗生素殺傷細菌的能力有關。
他大膽假設：腫瘤裏很可能存在細菌！
而那時候的普遍認知是，除了腸道腫瘤，大多數器官裏的腫瘤是無菌的。因為人體有很强大的免疫系統，一旦有細菌，免疫系統會迅速把它清除。
現在回憶起來，蔡尚依然覺得當時的想法有點crazy。但科學家的工作，本身就是在“探險”，“我被這個有趣的現象强烈吸引，覺得應該搞清楚其中的奧秘”。
無前車之鑒，無經驗可循，他帶領著西湖大學年輕的團隊成員，從研究體系到實驗方法，從老鼠模型的培育傳代、更新換代到抗生素使用方法的改良，一切從零起步，從頭構建。過去5年來，他幾乎50%以上的精力都投入到了這項研究中。
直到2020年Science的一篇論文中，科學家們才較為全面清晰地證實了腫瘤記憶體在細菌，證實了蔡尚最初的假設是正確的，這個時候，蔡尚團隊已經對腫瘤菌群的生理功能收集了大量數據，有了更深入的認識。他們想更進一步，搞清楚細菌在腫瘤轉移過程中究竟起了什麼作用。
“感謝學校給了我足够的時間和空間，並且營造了敢於探索未知，不畏艱難失敗的科研氛圍。”蔡尚說。
作為最早一批加入西湖大學的PI之一，過去5年他在科研成果方面算不上高產，甚至有點“默默無聞”。
“所幸學校並沒有這方面的考核指標，只是強調要做最前沿的研究。”充足的科研經費和优渥的薪酬，也讓他能够排除雜念，沉心靜氣，堅持做一項“開創而不跟隨的研究”。
High risk，high reward，在團隊成員辛勤澆灌下，最初那粒“靈光一閃”的種子，最終在鼓勵自由探索的學術土壤中生根發芽。
但蔡尚強調說：“這一領域剛剛興起，還存在眾多未解之謎，抗生素的臨床使用也充滿了複雜性，如何利用這一發現指導臨床治療仍是一個複雜而迫切的科學問題，需要更多科研工作者去做大量基礎而扎實的工作。”
在他看來，這項成果只是在乳腺癌研究領域打開了一扇小窗，至於窗外的風景如何，希望有更多後來者一起眺望。
蔡尚團隊部分成員合影
蔡尚課題組的研究主要以乳腺為模式器官，探討乳腺幹細胞在青春期、孕期、哺乳期對乳腺特定結構功能的維持，以及乳腺癌幹細胞在癌症的發生、發展、抗藥性、復發及轉移過程中的重要作用。近期的研究開闢了腫瘤菌群生理功能的新腫瘤研究方向，是一個充滿未知的新興領域，期待有興趣探討腫瘤菌群的優秀博後的加入，共同解開微生物與癌細胞互作之謎。
實驗室網頁：https://www.cai-lab.com