基于同步辐射荧光成像技术研究微量元素铁与乳腺癌恶性发展及转移相关性及机制

Recently, Iron overload in breast cancer tissues is associated with a significant reduction in metastasis-free survival and poor prognosis. But due to trace of iron in the tumor tissues, it is impossible to directly estimate the iron dynamical changes in the tumor tissues using conventional methods. In the most present study, iron levels were estimated through studying some related proteins regulating iron metabolism, so it is limitation of the indirect methods. Based on the novel advantages of the 3rd generation of synchrotron radiation fluorescence imaging,it is the most direct and sensitive method to quantify the distribution of metals and other elements with high spatial resolution and sensitivity, in the proposal, combining with biological technology, we will quantitatively study iron changes in different growth periods of different malignant mice breast cancer cell lines and animal models, build the relations between iron changes and breast cancer malignant progression and metastasis, furtherly, we will investigate correlations between iron changes and highly related proteins function, and clarify the mechanism of iron in breast cancer malignant progression and metastasis. This works will not only push the breast cancer theory development, but expand national platform science & technology to application in bio-medical engineering study.

最近研究发现乳腺癌恶性发展及不良预后与乳腺癌组织中微量元素铁的高聚集相关，但由于组织中铁元素的微量性，应用一般常规手段无法直接精确检测其动态变化。因此，现有研究大多数通过对调节铁代谢的相关蛋白的研究来衡量肿瘤组织中铁的水平，这种间接的方法具有其局限性。第三代同步辐射光源的高强度和高分辨率特性，使得应用同步光源的X射线荧光成像技术在细胞和组织中微量金属定量研究方面具有独特的优势。本项目将应用该技术并结合生物学手段，定量研究不同转移程度乳腺癌在不同发展时期的组织与细胞内微量元素铁的变化，建立铁元素变化与乳腺癌恶性发展及转移的关系，并通过进一步研究铁元素与乳腺癌恶性发展及转移相关蛋白的关系，探索它在乳腺癌恶性发展及转移中的作用机制。本项目的开展不仅会促进肿瘤学研究的发展，而且也是国家大科学平台技术在生物医学领域应用研究的拓展。

虽有研究认为铁元素促进了肿瘤的恶性进展，但铁在肿瘤转移中的作用机制目前尚不明确。本研究分别从细胞水平和动物模型上揭示了铁促肿瘤转移的机制。.本研究首先从细胞层面，对微量金属元素铁与人类乳腺癌细胞迁移能力进行了研究。我们选用两种人类乳腺癌细胞MDA-MB-231（间质表型并且恶性程度较高）及MCF-7（上皮表型并且恶性程度很低），加入铁螯合剂DFO扰动细胞内的铁稳态。利用同步辐射荧光成像技术对单个细胞进行扫描成像，直接观察加入DFO后,恶性程度不同的乳腺癌细胞细胞内铁含量的变化，同时研究细胞内相关蛋白的表达。结果显示，DFO处理后，MDA-MB-231细胞中铁含量增多；而MCF-7细胞中的铁含量降低。随着细胞内铁含量的增加，MDA-MB-231细胞的迁移能力增强。进一步研究发现MDA-MB-231细胞内铁含量增多，激活了NF-κB通路以及TGF-β/Smad通路，通过促进波形蛋白（vimentin）的高表达，增强了细胞的迁移。另外，在多种恶性程度高的乳腺癌细胞株得到进一步验证， 因此我们认为在缺铁状态下，恶性程度高的乳腺癌细胞相比于良性乳腺癌细胞具有更强的能力获得铁，增强细胞的迁移，促进其恶性发展。.接着，我们建立了小鼠4T1乳腺癌皮下肿瘤模型，通过上海光源第三代同步辐射X射线荧光成像直接观察了肿瘤不同发展阶段肿瘤组织内铁含量的变化。结合多种生物学技术，探讨了肿瘤转移阶段铁聚集的机制。我们发现在肿瘤转移阶段，组织内的铁含量急剧升高可能由小分子分泌蛋白Lcn2介导。微环境中的Lcn2来源于肿瘤相关巨噬细胞，肿瘤相关巨噬细胞能够通过分泌Lcn2将铁转运给肿瘤细胞。.然而铁促肿瘤转移是否与TAMs有关并不清楚。我们的研究显示铁促进了4T1乳腺癌的转移，但与4T1细胞内高铁水平无关，而是与高铁促进肿瘤组织中浸润的TAMs以及TAMs分泌的TNF-α、CSF-1 、VEGF和MMP9有关。进一步研究表明铁元素可能加强TAMs细胞中NF-κB信号通路的开放，促进下游目的基因CSF-1 、TNF-α、VEGF和MMP9的表达，而CSF-1 和TNF-α分泌进一步正反馈调节TAMs中NF-κB信号通路的持续开放，分泌多种促肿瘤转移的炎性因子，包括CSF-1 、TNF-α、VEGF和MMP9，促进转移。