癌細胞如何操控粒線體？竊取能量並摧毀免疫的雙重機制

最新發表在 Nature 的兩篇研究發現癌細胞不僅會從神經元竊取健康粒線體來增強其轉移與生長能力，甚至還能將自身損壞的粒線體轉移給免疫 T 細胞，讓它喪失免疫功能。這一系列發現顯示了癌細胞如何精準操控粒線體，在腫瘤微環境中取得生存優勢。

粒線體在癌症中的雙重角色

粒線體是細胞的能量工廠，負責產生ATP，對細胞的生存至關重要。粒線體功能失調會導致能量短缺和過多的氧化物(ROS)積累，損害細胞。過去的研究已知，靠近神經的腫瘤生長速度更快，且細胞之間能夠相互轉移粒線體，例如星狀膠質細胞會將轉移粒線體給受損的神經元，幫助它存活。不過，癌細胞與神經元、免疫細胞之間是否存在粒線體交換，一直是個未解之謎。

神經元為癌細胞供能：粒線體轉移增強轉移性

Mitchell Cancer Institute 的研究團隊透過綠螢光蛋白 eGFP 和自己開發的 MitoTRACER 去標記和追蹤粒線體的動向，發現粒線體的確會在神經元和癌細胞之間轉移。由於 eGFP 在進入接收的細胞後，亮度會掉很多，所以他們開發可以永久標記粒線體轉移的 MitoTRACER，被紅螢光蛋白 mCherry 的癌細胞在接受了神經細胞轉移過來的粒線體後，mCherry 會被移除，並會永久表現 eGFP。

▫️ 增強癌細胞代謝：與神經元共同培養後，癌細胞的粒線體呼吸率顯著提高。有趣的是，與癌細胞一起培養的神經元，其粒線體量也大幅增加。

▫️ 粒線體的轉移途徑：癌細胞和神經元之間的通道：當他們用螢光蛋白 eGFP 去標記神經元的粒線體，然後將它和將乳癌細胞培養在一起，結果發現神經元和癌細胞之間會形成一個奈米通道(tunnelling nanotube)，神經元的粒線體會穿過那個通道跑到乳癌細胞中。

他們也基因改造了老鼠，使牠肚子脂肪裡的神經元也帶有 eGFP 標記的粒線體，然後再把癌細胞打進脂肪中。三個禮拜後，有些癌細胞出現了螢光粒線體。

▫️ 功能恢復與增生：粒線體恢復缺陷癌細胞功能：當他們基改癌細胞，使它們缺少粒線體，讓他們不會分裂，耗氧量也很低，表示代謝有問題。不過，把它們和神經細胞一起培養五天後，這些癌細胞就恢復代謝功能了，也開始增生，表示它們可能從附近的神經細胞中獲得了功能正常的粒線體。

在老鼠和人類身上也觀察到粒線體轉移對癌症的影響：

• 在老鼠身上：他們利用 MitoTRACER 追蹤在老鼠體內的粒線體動向，發現雖然原位瘤中只有約 5% 的癌細胞獲得了神經細胞的粒線體，但在轉移到肺部和腦部的癌細胞中，粒線體的比例例分別飆升至 27% 和 46%。也就是說，粒線體轉移大幅增加了癌細胞的轉移能力。
• 在人體身上：分析人類前列腺腫瘤組織樣本也發現，越靠近神經的癌細胞，其粒線體的含量也越多。

癌細胞將突變粒線體轉移給免疫 T 細胞以癱瘓其功能

癌細胞本身常帶有突變的粒線體 DNA (mtDNA)，這會損害其能量生成。不只如此，在腫瘤微環境中，免疫 T 細胞內的粒線體也有功能失調，而這是導致 T 細胞耗竭、無法有效攻擊癌細胞的關鍵。不過，T 細胞的中粒線體會什麼會功能失調？

日本岐阜癌症研究中心的研究團隊從 12 名不同癌症類型的患者身上採集了腫瘤浸潤淋巴細胞的 T 細胞(Tumor-Infiltrating Lymphocytes, TILs)，分析它們的粒線體 DNA (mtDNA)。除此之外，他們也用 MitoDsRed 去標記癌細胞的粒線體，也用 MitoTracker Green 去標示免疫 T 細胞的粒線體，藉以追蹤它們的動向。

▫️ 共享的粒線體突變：在 12 名患者中，有 5 名的 TILs 中被檢測到 mtDNA 突變，其中三位的 TILs 和癌細胞帶有相同的 mtDNA 突變。

▫️ 粒線體的單向轉移：癌細胞和 T 細胞在共同培養超過 24 小時後，免疫 T 細胞內出現了紅色螢光，表示癌細胞的確把自己的粒線體轉移給了免疫 T 細胞。

▫️ 完全取代：癌細胞和 T 細胞在共同培養 15 天後，部分 T 細胞內的粒線逐漸消失，被來自癌細胞的粒線體完全取代，也就是同質性替換(Replacement to Homoplasmy)。

粒線體轉移的秘密通道

他們用藥物來檢測粒線體是怎麼被轉移的，發現有兩個方式：

1. 奈米通道(Tunnelling Nanotubes, TNTs)：用藥物抑制奈米通道的形成，或使用物理隔板阻止細胞直接接觸，都能大幅減少粒線體的轉移，顯示透過 TNTs 進行的直接細胞接觸是主要途徑之一。
2. 細胞外囊泡(extracellular vesicles, EVs)：使用能阻斷 EVs 釋放的藥物，同樣能顯著減少轉移。另外，即便阻止了細胞間的直接接觸，藥物仍然讓轉移率變更低，他們也從純化出的 EVs 中發現了粒線體蛋白，顯示細胞外囊泡確實能攜帶粒線體。

粒線體失調的影響：為何免疫療法會失效？

免疫 T 細胞在接收了來自癌細胞的、帶有突變的粒線體後，其功能變被破壞了，包括新陳代謝失調、提早衰老、無法形成長期記憶，以及無法被活化以進行攻擊癌細胞的任務。

• 老鼠模型：在 T 細胞粒線體功能缺陷的老鼠中，PD-1 抑制劑的療效明顯減弱了。即使接受 PD-1 抑制劑治療，這些老鼠也無分像正常老鼠一樣增加具有攻擊力的 T 細胞。
• 人類臨床數據：腫瘤中帶有 mtDNA 突變的皮膚癌和肺癌患者(melanoma, NSCLC)在接受 PD-1 抑制劑治療後，其無惡化存活期(progression-free survival)和總體存活期(overall survival)都比沒有 mtDNA 突變的患者要短。

結論

總結來說，癌細胞展現了令人驚訝的精密策略：一方面從神經元竊取健康的粒線體來助長自身擴散，另一方面又將受損的粒線體轉移給T細胞，以摧毀免疫防線。這也太邪惡了吧！

這一發現也直接解釋了臨床上的難題。

由於健康的T細胞是 PD-1 抑制劑等免疫療法成功的基礎，癌細胞對 T 細胞粒線體的破壞，無疑是削弱免疫療效、導致治療失敗的關鍵因素之一。



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Articles:

Nature | Cells are swapping their mitochondria. What does this mean for our health?

Nature | Mitochondrial swap from cancer to immune cells thwarts anti-tumour defences

Tumours may get supercharged by acquiring powerhouses of nerve cells | Science | AAAS


Publications:

G Hoover, S Gilbert, Curley, O. et al. Nerve-to-cancer transfer of mitochondria during cancer metastasis. Nature (2025) DOI: 10.1038/s41586-025-09176-8

H Ikeda, K Kawasei, T Nish et al. Immune evasion through mitochondrial transfer in the tumour microenvironment. Nature (2025) DOI: 10.1038/s41586-024-08439-0

肥胖會降低免疫細胞殺死癌細胞的能力

最近這篇研究，讓人稍微了解了一下肥胖和癌症的關係。這篇研究顯示肥胖會使脂肪會堆積在自然殺手細胞(natural killer cells, NK cells)，影響它們的代謝、基因表現和功能，使它們無法正常運作。

自然殺手細胞是一種免疫細胞，除了消滅外來的敵人外，它的其中一個攻擊目標是腫瘤細胞，因此可以限制癌細胞的擴散。自然殺手細胞殺死目標物的方法是分泌一種 lytic granules，這種 granules 裡面有醣蛋白 perforin 和酵素 granzymes (顆粒酶)，但是這個對抗機制需要消耗大量的能量，因此它們需要可以生產 ATP 的 glycolysis。

這篇研究發現肥胖會啟動 PPAR (peroxisome proliferator-activated receptor; PPAR)，使脂肪堆積在 NK cells，導致它的代謝機制無法運轉，因此無法生產 ATP 去對抗癌細胞。

PPAR 是位於細胞核內的賀爾蒙接受器(nuclear receptor)，同時也是轉錄因子(transcription factor)，調控各種相關基因的表現，包括有脂肪的運送和代謝、肝醣生產等等，因此大量表現在肝臟和心臟等脂肪代謝率高的器官和脂肪組織裡。PPAR 像是一個脂肪探測器，它的配位基(ligand)包括自由脂肪酸(fatty acid)和其衍生物(derivatives)，free fatty acid (FFA) 會啟動 PPAR 和它的 signaling pathway，於是細胞接收到訊息後會開始處理細胞內的脂肪。


Figure: KEGG, Kanehisa Laboratories

在這篇研究裡，老鼠們被餵食高脂肪的食物(high-fat diet, HFD)，然後作者們檢視 NK cells 裡有哪些基因的表現量出現改變。沒想到在八週的高脂肪飲食過後，約有三千個基因的表現量和被餵食正常飲食(standard-fat diet, SFD)的老鼠不一樣，有些控制脂肪代謝的基因表現量升高了，主要多是和 PPAR 相關的，而和 cytotoxicity 還有 mTOR 相關的基因表現則下降了，例如受 mTOR 調節的 granzymes。這些變動顯示肥胖會使 NK cells 轉換它的運作，把它禦敵的功能轉換成以代謝脂肪為主。

接著他們比較了肥胖老鼠和瘦老鼠體內 NK cells 的循環狀態，發現肥胖老鼠體內的 NK cells 循環比較慢，而且它們殺死的腫瘤細胞比較少。除此之外，他們也發現肥胖老鼠的 NK cells 裡面有脂肪球堆積，而細胞內用來殺死目標細胞的 perforin granules 卻減少了。他們也用人類的 NK cells 做測試，在培養液中加入 FFA，NK cells 會從培養液中吸收 FFA 進細胞內，他們發現細胞內越多脂肪球堆積的，perforin granules 就越少，有的甚至沒有，而脂肪堆積也讓 NK cells 喪失殺死癌細胞的能力。另外，因為 granzyme 的表現量是受 mTOR 調控的，mTOR pathway 被啟動後會使 NK cells 開始運作 glycolysis 生產能量，所以他們也檢視惹 mTOR pathway 和 NK cells 間的關係。他們發現當 mTOR pathway 被抑制時，NK cells 的殺敵能力大為下降，而在肥胖的情況下，mTOR 是失能的。他們在培養液裡加了脂肪酸後，NK cells 無法啟動 glycolysis 和 OXPHOS，也因此製造出的 ATP 也少很多。在老鼠試驗中，肥胖老鼠的 NK cells 的代謝率和 glycolysis 效率都比正常飲食的老鼠低很多。



以上結果皆顯示，當周遭環境有很多自由脂肪酸的時候（也就是肥胖），NK cells 會把它的禦敵機能(cytotoxicity, mTOR pathway)和生產能量(glycolysis, OXPHOS)的機制轉換到代謝脂肪(lipid metabolism, PPAR pathway)，因而導致它的免疫殺敵的功能下降，殺死癌細胞的效能也降低了。

既然如此，那啟動 PPAR 會抑制 mTOR 的功能嗎？作者們在培養液裡加惹 FFA 和 PPARα/δ agonists 去啟動 PPAR，結果從瘦子體內取得的 NK cells 開始吸收脂肪，glycolysis 效率降低，而且 perforin 和 granzyme B 的表現量也大為下降；但是當含有 FFA 的培養液裡加入惹 PPARα/δ antagonists 之後，脂肪便不再堆積在 NK cells 的細胞內，而且也沒有 perforin 表現降低的現象。除此之外，他們也找尋到底是在哪個地方降低惹 NK cells 的御敵能力，他們發現當 PPAR 被脂肪酸啟動或是 mTOR 被抑制的時候，NK cells 可以找到癌細胞，但無法釋出 lytic granules 去消滅癌細胞，而且也會抑制 NK cells 的繁殖。

這篇研究的結果看起來是在 NK cells 裡，用來生產能量對抗癌細胞的 glycolysis 和代謝脂肪的 PPAR 只能擇其一，作者最後有提到說有研究顯示用 rapamycin 去抑制 glycolysis，使癌細胞沒有養份增生，但是這篇研究顯示如果抑制 glycolysis 的話也會使 NK cells 無法生產能量殺死癌細胞，因此使用 rapamycin 可能也不是個好方法。


不負責任結論：最好的方法就是不要過胖讓體內有過多的脂肪去抑制 NK cells 的功能。XD



Article:

TN / ‘Fat-clogged’ Immune Cells Fail to Fight Tumors


Papers:

X Michelet et al, Metabolic reprogramming of natural killer cells in obesity limits antitumor responses. Nature Immunology (2018)

D Fanale et al, The Interplay between Metabolism, PPAR Signaling Pathway, and Cancer. PPAR Research (2017)

M Pawlak et al, Molecular mechanism of PPARα action and its impact on lipid metabolism, inflammation and fibrosis in non-alcoholic fatty liver disease. J Hepatology (2015)

LR de Armas & ER Podack, Chapter Sixteen - Natural killer cytolytic activity. Basic Science & Clinical App (2010)

餓死癌細胞

據說之前仿間謠傳不吃東西可以餓死癌細胞，不知道最後是人先被餓死，還是癌細胞先被餓死呢？XD

這個研究也是餓死癌細胞(這是四年前的 TED Talk)，不過是靠吃東西餓死癌細胞。血管是體內運送養分和氧氣的交通工具，長多長少是受到調控的，透過釋放出 stimulators 或是 inhibitors，例如受傷可能造成傷處血管變少，這時候就會長出新血管讓它恢復到原本的狀況，血管新生的過程叫做 angiogenesis，過多或不足的血管新生都會造成疾病。

癌細胞要增生變成腫瘤需要很多養份和氧氣，於是它們會釋放出 stimulators 來刺激血管增生，好用來運送養份和氧氣給癌細胞們，於是針對這點，anti-angiogenic therapy (抗血管增生療法)被用來治療癌症，例如當 VEGF (vascular endothelial growth factor)和它的接受器(VEGF receptor)結合後會產生促使血管增生的訊號，於是就有抗體是針對 VEGF 或 VEGFR，用來阻斷下面的訊息傳遞，抑制不正常的血管增生，使癌細胞得不到養分繼續生長。

Dr. William Li 和他的團隊把抗血管增生的抑制劑塗抹在動物的腫瘤處，抑制血管新生，結果腫瘤消掉了。2004 到 2009 年間的 anti-angiogenic drug 有十二個，目前美國 NIH 網站上列的抗血管增生藥物(angiogenesis inhibitors)有十四個。不過，有時候發現癌症的時候已經太晚了，如果可以預防的話不是更好？大多數人認為預防癌症的發生的方法就是不要吃會致癌的食物，但是 Dr. Li 想的相反，他認為可以吃減少血管增生的食物，於是他們測試了有哪些食物裡的成分可以抑制不正常的血管增生，例如他們發現紫葡萄或紅酒裡的 resveratrol 可以抑制血管增生。他有列了哪些食物可以抗血管增生，有興趣的自己看。是說我覺得如果已經確診有癌症了，靠食療實在太慢，直接給 anti-angiogenic drug 比較快，食物大概就是吃一吃用來預防吧。

NIH - Angiogenesis inhibitors

ps. 不過有的癌細胞是可以在無氧的狀態下生長的，所以很難處理，記得我研究所畢業時申請的一個博士後研究就是做 tumor hypoxia，有興趣的可以孤狗 tumor hypoxia，或是看下面連結的 review papers。



Review papers:

A Albini et al, Cancer prevention by targeting angiogenesis. Nature Reviews Clinical Oncology (2012)

V Petrova et al, The hypoxic tumour microenvironment. Oncogenesis (2018)