图1INTRODUCTION•✦研究介绍✦•研究背景Background　　神经胶质瘤是一种普遍存在的脑癌形式，5 年生存率低，分子标志物对于神经胶质瘤的准确诊断、预后和治疗至关重要。　　个性化医疗方法强调实施最有可能有效治疗患者特定肿瘤的治疗方案，从而最大限度地提高患者生存效益。为了利用手术时的“机会之窗”，根据肿瘤的分子特征定制治疗需要能够在手术时评估分子特征。然而，术中诊断信息的主要来源仍然是组织切片的显微镜检查，仅用于通过冷冻切片初步确认诊断，不能提供分子或遗传信息。　　两个分别来自杰克逊维尔市的梅奥诊所分院和上海华山医院的独立团队，开发并实施了两种质谱（MS）工作流程，用于胶质瘤手术中诊断异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变。（图1）研究意义Significance在脑癌中，一些胶质瘤中与异柠檬酸生化途径相关的酶发生突变，导致一种特殊代谢物2-羟基戊二酸(2HG)的积累。手术期间使用质谱仪(MS)测量脑组织，可提供有关手术前或手术期间以往无法获得的异柠檬酸脱氢酶(IDH)突变状态的信息。数据表明，MS可用于在手术中快速识别外科医生选定位置处的 IDH 突变（IDH-mut）组织的边缘。因此，这种分子测量应有助于外科医生在肿瘤核心为IDH-mut阳性的情况下实现浸润组织的最佳手术切除。（图2）图2METHODS•✦研究方法✦•　　两种方法的关键特点都是使用串联质谱（MS/MS）技术来提高分子选择性和测量准确性，并且都使用谷氨酸（Glu）作为内源性参考物质，以它的信号作为衡量2HG信号的基准。这两种方法都实现了对IDH突变状态的快速和准确诊断，且在研究中表现出了100%的灵敏度、特异性和准确性。普渡大学 和 梅奥诊所 的方法：DESI 离子化方法:Desorption Electrospray Ionization (DESI)通过DESI-MS/MS直接从新鲜、未处理的组织活检样本中生成离子。利用小型的台式离子阱质谱仪进行分析。通过测量2HG（m/z=129）相对于Glu（m/z=128）的信号比率来评估IDH突变状态。清华大学 和 华山医院 的方法：DCS 离子化方法:Direct Capillary Spray (DCS)通过DCS将组织活检样本与采样纸条接触，然后使用乙醇/水溶剂混合物进行提取和离子化。使用微型质谱仪进行分析。同样通过测量2HG和Glu的离子信号比率来进行IDH突变状态的评估。FINDINGS•✦研究发现✦•一、解吸电喷雾电离 (DESI)技术　　研究团队使用了一组由148个活检样本组成的训练数据集，这些样本来自43名患者。随后，他们创建了一个验证数据集，包括240个活检样本，这些样本涵盖了核心、边缘和未知位置的组织，来自34名患者。　　通过与标准免疫组化 （IHC） 和/或基因检测对 IDH 突变状态的测定进行比较，验证了 DESI-MS 对 IDH 突变状态的预测。验证数据集核心活检的 IDH 突变状态的评估表明，敏感性为 100%，特异性为 100%，准确性为 100%。　　与 IDH-野生型 （IDH-wt）胶质瘤患者相比，在 IDH-mut 肿瘤的核心活检样本中，相对于Glu信号，2HG信号有显著增加。这种差异在箱形图中得到了体现。研究结果表明，DESI-MS方法在区分IDH-wt 和 mut 胶质瘤方面具有明确的区分能力。ROC 曲线显示，无论采用何种方法，IDH-wt 和 mut 肿瘤均按 2HG/Glu 比值完美分类。（图3）图3　　研究还探讨了DESI-MS/MS比率方法在不同仪器间的稳健性，通过将一部分活检样本（n=82）从梅奥诊所发送到普渡大学，在实验室Thermo LTQ上重复测量2HG/Glu比率。在线和离线评估IDH突变状态的比较显示，两种测量方法在核心和边缘活检样本的诊断性能上都相似，尽管边缘活检样本的性能较差，这可能是由于肿瘤体积中2HG浓度的异质性所致。（图4）图4二、直接毛细管喷雾(DCS)离子化技术　　与DESI技术不同，DCS通过一种更为直接的方式进行组织活检样本的提取和离子化。研究团队使用了137个活检样本来训练微型MS系统，这些样本来自109名患者，包括IDH突变型（n = 49）、IDH野生型（n = 74）以及非浸润性脑组织（n = 14）。　　研究结果显示，2HG的相对丰度（MS1）的AUC值为0.979，当使用2HG与Glu的比率时，这一值增加到了0.985。这表明2HG/Glu比率提供了最佳的区分能力，因此被用于验证研究。在前瞻性验证研究中，研究团队使用了74名患者术中收集的活检样本，包括70名胶质瘤患者和4名非胶质瘤患者（脑膜瘤或神经鞘瘤）。　　验证队列的分析结果表明，IDH-mut 胶质瘤的2HG/Glu离子丰度比显著高于IDH-wt 组织，这一发现支持了使用2HG/Glu比率作为区分IDH-wt 和 mut 胶质瘤的诊断工具。核心活检样本的2HG/Glu（MS/MS）的准确性、敏感性和特异性均达到了100%。这一发现与普渡大学和梅奥诊所团队观察到的结果一致。（图5）图5DISCUSSION•✦研究讨论✦•　　本研究描述了两种独立开发和验证的用于术中诊断 IDH 突变的综合 MS 系统。使用与当前手术工作流程兼容的方法在 2 分钟内可以实现快速检测。DESI或DCS的电离可以直接分析脑组织，而MS/MS可以最大限度地减少异构体和同位素的干扰。IDH突变状态的确定准确度很高，并证明2HG积累与肿瘤浸润相关。　　两个团队都观察到 IDH-mut 神经胶质瘤中 2HG 与 Glu 的高比率的强相关性。尽管使用了不同的电离方法和质谱仪，但无论 IDH1 或 IDH2 基因型如何，在确定核心肿瘤活检的 IDH 突变方面观察到相当的性能，灵敏度、特异性和准确度均为 100%。此外，两个团队都注意到手术边缘存在高浓度的2HG。2HG 是一种独特的生物标志物，仅存在于 IDH 突变肿瘤中，这意味着它可以用作肿瘤浸润的替代物。术中有关IDH突变体组织浸润的信息，可以直接影响外科医生手术切除的范围，从而使患者获得更好的预后。参考文献[1] Hua, Wei et al. "Rapid detection of IDH mutations in gliomas by intraoperative mass spectrometry.", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 121.23 (2024): e2318843121-e2318843121.PROFILE花玮复旦大学附属华山医院神经外科主任医师、教授、硕导共同第一作者：清华大学张文鹏教授、普渡大学Hannah Brown博士、清华大学吴俊函博士通讯作者：复旦大学附属华山医院毛颖教授、清华大学精密仪器系欧阳证教授、美国普渡大学Graham Cooks教授、梅奥诊所Alfredo Quinones-Hinojosa教授　END文案 | 姜笑南排版 | 姜笑南审核 | 姜笑南发布｜姜笑南世界生命科学大会RECRUIT关注我们，获取生命科学学界前沿｜促进更多的学术交流与合作业界前沿｜促进更快的产品创新与应用政策前沿｜促进更好的治理实践与发展

图1INTRODUCTION•✦研究介绍✦•研究背景Background　　“表型可塑性”是指细胞同一基因能够在不同的环境条件下表现出不同的表型或功能。其在癌症发展中常见，最近被认为是一个新兴的癌症标志。　　在癌症干细胞（cancer stem cells, CSCs）的背景下，表型可塑性指的是CSCs能够在特定的微环境条件下，通过改变其表型或功能来适应不同的生存压力，例如药物治疗或转移过程中的环境。这种表型可塑性使得CSCs能够逃避治疗并促进肿瘤的复发和转移。　　肿瘤细胞的可塑性归因于CSCs的存在，但目前对于CSCs是否与正常组织中的同源细胞、肿瘤的起源细胞相关联，甚至它们是否存在，都尚未达成共识。　　5月31日，来自加州大学旧金山分校的Allan Balmain团队，其最新研究结果发表于《Science》期刊，研究提供了对CSCs与其正常组织对应物之间关系的更深入了解，并为癌症治疗提供了新的视角。（图1）研究意义Significance　　对于人类肿瘤的复杂起源，它们不仅归因于暴露于环境因素，如突变原和肿瘤促进化学物质而发生，而且受到遗传和生活方式等复杂因素的影响。为了模拟这种复杂的病因，这项研究通过两个不同品系小鼠的杂交，创建了一个遗传异质性的群体，并让它们接触皮肤致癌的启动剂和促进剂。这种方法便于研究人员利用基因表达网络分析正常皮肤和肿瘤样本，进而研究干细胞在多阶段癌变过程中的作用和演变。特别地，研究聚焦于干细胞状态在肿瘤发展中的汇聚现象，以及这些状态如何与肿瘤的细胞异质性、谱系可塑性、药物抗性和治疗结果相关联。（图2）图2METHODS•✦研究方法✦•1基因表达网络构建：通过在小鼠中创建基因表达网络（metagenes），研究人员分析了正常皮肤和肿瘤样本中的基因表达模式。2单细胞RNA测序（scRNAseq）：对正常皮肤、良性肿瘤和恶性肿瘤样本进行了单细胞转录组分析，以追踪干细胞状态的演变。3谱系追踪：使用Lgr6-eGFP-CreERT2和Rosa26LSL-Tomato报告基因系统，对Lgr6+干细胞及其后代进行长期追踪。RESULTS•✦研究结果✦•一、肿瘤干细胞基因表达网络的重构　　研究人员利用整体组织数据采样宽度和单细胞数据高分辨率的互补性，从数百个大样本中生成一个转录组数据库，涵盖了从正常皮肤(NSk)到良性瘤前病变(皮肤乳头状瘤)到恶性肿瘤(鳞状细胞癌)以及最终转移的进展。　　使用WGCNA算法对106个NSk和157个癌样本进行了无监督的基因模块分析：在肿瘤样本中，发现了一个包含1720个基因的大型模块，这个模块富含与创伤愈合相关的基因。包括几个已知的与癌变有关的干细胞标记基因，例如Sox9、Psca、Pitx1、Krt15、Krt19和Lgr6。　　随后，研究人员检查了正常组织和肿瘤中这些特征明确的干细胞标记基因的相关性结构，揭示了三组基因在肿瘤中相互关联，但在匹配的正常组织中却没有。肿瘤发展过程中Lgr6元基因相关网络结构的变化揭示了与癌症进展和免疫逃逸相关的生物学功能重构。（图3）图3　　作者将这些在整体组织水平上共表达的相关干细胞基因组称为“Spearman组”。这些Spearman研究小组重现了WGCNA鉴定的基因模块。重要的是，由Bmi1、Sox4和Lrig1组成的Spearman组1与Spearman组3具有很强的抗相关性，后者包含多个已知的成体干细胞标记物。二、多阶段癌症进展中的单细胞转录组　　研究人员通过单细胞RNA测序(scRNAseq)分析了57,807个细胞，包括正常皮肤、乳头状瘤和鳞状细胞癌。他们通过无监督聚类发现了21个低分辨率的单细胞群集，其中1至4群集主要由正常皮肤、乳头状瘤和鳞状细胞癌的细胞组成。　　此外，还在分析中包括了来自Lgr6-eGFP-tdTomato小鼠品系的经系谱示踪选择的NSk、良性乳头状瘤和癌症的单个上皮细胞，以标记和分离Lgr6+干细胞（eGFP+）及其直接后代（tdTomato）。　　使用经典标记物对NSk细胞类型进行分类，并重新分析了仅癌症实质，结果显示了两个不同的角化细胞亚群，分别对应于鳞状（占癌症实质的20.8%）和梭形阶段（79.2%），这两个阶段均经历了上皮间质转化。三、基因网络可视化　　研究人员探讨了如何将从大量组织样本中推断出的基因网络可视化到单个细胞中。　　他们特别研究了Lgr6和Lgr5这两个与皮肤干细胞标记相关的基因，Lgr6在鳞状细胞癌中具有克隆性，而Lgr5没有。Lgr6的表达在肿瘤细胞中增加，反映了肿瘤从正常稳态向恶性发展过程中的功能转换。Lgr5在毛囊下凸起区域高表达，反映了其已知的毛囊干细胞功能，且Lgr5在癌变的所有阶段均低表达。这反映了它们在正常组织和肿瘤中的不同功能。　　通过比较Lgr6和Lgr5的肿瘤特异性metagenes，实质细胞中Lgr6癌网络的metagene表达增加，而Lgr5癌网络的metagene表达减少。这表明单细胞中的metagene表达可追溯正常组织中这些干细胞标记物的功能作用，并反映恶性转化过程中发生的功能重构。　　研究人员观察到，在肿瘤样本中，Spearman群组1和3的干细胞基因表达呈负相关，这表明它们可能代表两种在不同单细胞群体中表达的互斥干细胞状态。通过分析这些群组的metagenes表达，发现它们在特定的“尖峰”细胞群体中高度共定位，这些细胞群体对应于UMAP中的细胞群集33。这些“尖峰”细胞群体在表达谱系可塑性和创伤愈合相关基因方面具有高度的特异性。（图4）图4四、来源于Lgr6阳性乳头状瘤细胞的可替代干细胞群　　在这一部分中，研究人员进一步探讨了Lgr6+干细胞如何与他们之前识别的两种不同的单细胞群体（上尖峰和下尖峰）相关联。通过谱系追踪和免疫荧光分析，他们发现Lgr6+干细胞在正常皮肤中重新填充了特定的区域，但在肿瘤中，这些细胞的表达更为广泛和无序。（图5）图5　　研究还发现，Lgr6+干细胞产生的后代细胞在肿瘤中形成了下尖峰细胞群体，这些细胞群体高表达与谱系可塑性相关的Spearman群组3的metagenes。（图6）图6　　为了确保单细胞metagene模式不是原始数据集中特定单细胞样本的特异和偶然结果，研究者通过scRNAseq分析了额外的独立的肿瘤样本。这些样本包含了下尖峰和上尖峰细胞，并且当与原始数据集整合时，这些额外的样本保持了上尖峰作为正常皮肤和肿瘤细胞之间的早期过渡群体的位置。五、下尖峰细胞状态与药物抗性之间的关联　　在这一部分中，研究人员探讨了下尖峰细胞状态与药物抗性之间的关联，并在小鼠和人类肿瘤中验证了这一状态的保守性。　　首先尝试确定低尖峰细胞是否会表达从药物筛选中鉴定出的经验来源的耐药标志物。检查了几种人类肿瘤类型中已知与药物抗性相关的基因，包括基底细胞癌（BCC）、前列腺腺癌（PAD）和肺腺癌。他们发现，这些肿瘤类型中与药物抗性相关的基因在小鼠的下尖峰细胞中高度表达。例如，在经过vismodegib治疗的BCC患者样本中，抗性基因Tacstd2、Ly6d和Lypd3的表达水平升高。随后使用小鼠的大量样本数据生成了这些抗性基因的肿瘤特异性metagenes，并在单细胞数据中观察到这些metagenes在下尖峰细胞中的表达。　　此外，研究人员还在人类前列腺肿瘤的单细胞RNA测序数据中寻找了与下尖峰细胞状态相对应的细胞群体。他们发现，人类前列腺肿瘤中与再生能力相关的基因表达模式与小鼠下尖峰细胞状态高度一致。这表明，小鼠中发现的下尖峰细胞状态在人类肿瘤中也存在，并且可能在肿瘤发展和对治疗的响应中发挥着相似的作用。（图7）图7　　研究者还探讨了化疗药物顺铂（cisplatin）对肿瘤细胞的影响。他们发现，顺铂处理可以激活下尖峰细胞状态相关的基因，这可能有助于肿瘤细胞逃避化疗药物的杀伤作用。此外，通过抑制Pp2a（一种与肿瘤抑制相关的蛋白磷酸酶）可以减少下尖峰细胞状态的表达，从而使肿瘤细胞对化疗药物更加敏感。（图8）图8　　这些发现揭示了下尖峰细胞状态在肿瘤发展和对治疗响应中的重要作用，为开发新的癌症治疗策略提供了潜在的靶点。通过调节这些细胞状态，可能有助于提高癌症治疗的效果，尤其是在克服肿瘤对化疗药物的抗性方面。DISCUSSION•✦研究讨论✦•　　识别和量化肿瘤细胞的可塑性是癌症研究中的一个新兴挑战。通过在多阶段癌变过程中追踪干细胞网络的单细胞表达，研究人员识别了表达两种相反表型的不同细胞群体：一种表达快速循环的癌症特征，另一种表达慢循环的谱系可塑性癌症特征。　　研究提出了一个简化的癌变模型，该模型识别了不同肿瘤进展阶段的汇聚干细胞状态。这些细胞状态背后的基因网络的调控可能为组合癌症治疗提供了潜在的靶点。　　这项研究提供了对CSCs与其正常组织对应物之间关系的更深入了解，并为癌症治疗提供了新的视角。参考文献[1] Mark A. Taylor et al. ,Stem-cell states converge in multistage cutaneous squamous cell carcinoma development.Science384,eadi7453(2024).DOI:10.1126/science.adi7453PROFILEAllan Balmain加利福尼亚大学旧金山分校Barbara Bass Bakar 癌症遗传学杰出教授　　Allan Balmain教授团队多年来的主要研究目标之一是利用小鼠遗传学来了解暴露于环境致癌物质（包括化学物质和辐射）与癌症易感性之间的关系。　　最近项目的重点是开发“系统遗传学”方法来分析正常组织生物学，以及癌原物暴露诱导的基因突变景观和基因表达结构的变化。这些方法旨在整合多维数据集，以提供小鼠和人类组织中正常遗传结构的网络视图，以及在良性肿瘤发展及其转移过程中发生的干扰。迄今的研究揭示了与干细胞命运决定、细胞周期控制、炎症和免疫调节相关的基因和途径的重要作用。　　这些整合的系统方法代表了一种新颖且非常有前景的路径，可以识别信号通路中的关键相互作用组分，并识别与癌症相关的关键表达网络的变化。它们还将提供一个平台，利用化学诱导的具有许多点突变的肿瘤，来设计和测试新颖的联合疗法，包括放射治疗和免疫治疗，并开发响应性生物标志物。最后，分析不同致癌物质诱导的小鼠肿瘤可以更深入地了解人类癌症的病因学和突变起源。END文案 | 姜笑南排版 | 姜笑南发布｜姜笑南世界生命科学大会RECRUIT关注我们，获取生命科学学界前沿｜促进更多的学术交流与合作业界前沿｜促进更快的产品创新与应用政策前沿｜促进更好的治理实践与发展

图1INTRODUCTION•✦研究介绍✦•研究背景Background　　嘌呤核苷酸在人体中扮演着重要角色，它们是DNA和RNA的构成单元，参与了遗传信息的传递和蛋白质合成。此外，嘌呤核苷酸也是能量分子的重要来源，例如细胞内能量的主要供应者三磷酸腺苷（ATP）。　　嘌呤在生物体内有两种主要合成途径：从头合成途径(de novo)是体内合成代谢中，利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸。补救合成途径(salvage)是利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应过程，合成嘌呤核苷酸。　　传统上，人们认为增殖细胞主要依赖于从头合成，而分化的组织则倾向于补救途径。　　近日，德州西南医学中心Gerta Hoxhaj通讯在《Cell》发表论文“De novo and salvage purine synthesis pathways across tissues and tumors”，揭示了正常组织和肿瘤中维持嘌呤核苷酸库的复杂机制，打破了传统观念。（图1）研究意义Significance　　在这项研究中，研究者们建立了体内同位素输注与代谢组学相结合的方法，以确定补救和从头合成嘌呤途径对组织和肿瘤中核苷酸供应的贡献。该项研究结果揭示了在正常组织和肿瘤中补救途径的未被重视的作用。（图2）图2METHODS•✦研究方法✦•1代谢组学分析：研究不止局限于单一组织或肿瘤类型，而是涵盖了多种组织和肿瘤模型，提供了广泛的代谢特征。2创新的同位素示踪方法：使用多种同位素标记的前体，提供了对嘌呤合成途径的深入理解，尤其是补救合成途径在肿瘤生长中的作用。3CRISPR-Cas9基因编辑：用于在癌细胞中敲除特定的基因（如GART或HPRT1），以研究从头合成和补救合成途径对组织和肿瘤的作用。RESULTS•✦研究结果✦•一、健康组织的两种合成途径活性　　研究人员在健康的C57BL/6小鼠注入了标记的营养素（[γ- 15N]-谷氨酰胺或[γ, α- 15N]-谷氨酰胺），用于追踪从头和补救合成途径，并分析了9个主要组织(包括脑、心、肺、胰腺、肝脏、小肠、脾、肾和脂肪组织)中的嘌呤代谢物含量。　　标记结果以及嘌呤从头合成抑制剂实验，证实小肠具有最高的新生嘌呤合成活性，与其快速增殖率相关。（图3）图3　　对于补救合成途径，研究人员评估了常见的循环嘌呤碱基和核苷的补救情况。他们发现，尽管大多数嘌呤物种在不同组织中显示出明显的特异性分布，但嘌呤核苷酸（IMP、AMP和GMP）的池大小变化不大。实验中使用了包括[15N5]-腺嘌呤、[15N5]-腺苷、[13C5]-次黄嘌呤、[15N4]-肌苷、[15N5]-鸟嘌呤或[15N5]鸟苷在内的多种标记前体，来评估不同组织对这些补救合成底物的利用情况。（图4）图4　　对于血液中低水平的次黄嘌呤或鸟苷，研究者们给小鼠注射别嘌呤醇（XDH抑制剂，可阻断嘌呤分解代谢并降低尿酸水平），评估XDH介导的嘌呤降解在影响核苷酸合成方面的作用。（图5）图5　　研究结果显示，腺嘌呤和腺苷在循环中的标记达到了稳态，但在不同组织中的利用模式却有所不同。特别是，肺和脾脏对腺苷的补救合成表现出偏好，而心脏和胰腺则显示出较低的腺嘌呤补救合成活性，肾脏是所有这些嘌呤底物的主要补救部位。（图6）图6　　此外，次黄嘌呤、鸟嘌呤和鸟苷在循环中的富集较低，别嘌呤醇实验揭示了XDH介导的降解对嘌呤合成的影响，特别是对次黄嘌呤的回收影响。　　研究的发现揭示了不同组织中嘌呤合成途径的独特活性和偏好，强调了小肠在从头合成途径中的活跃作用以及肾脏在补救合成途径中的关键角色，对于我们理解组织如何维持嘌呤核苷酸池具有重要意义。二增殖细胞和肿瘤的两种合成途径活性　　在这一部分中，研究人员探讨了增殖细胞和肿瘤如何通过从头合成和补救合成途径来维持核苷酸水平。他们使用了多达八种不同的同位素标记示踪剂，来评估包括乳腺癌（Cal-51）、肾癌（Renca）、结肠癌（HCT-116）和一位肾癌患者的同种异体移植模型在内的六种肿瘤模型中两种途径的活性。　　研究结果显示，所有异种移植肿瘤都摄取了15N标记的谷氨酰胺，导致肿瘤中的标记富集度达到20%至40%。这表明肿瘤细胞通过从头合成途径来满足其对核苷酸的需求，以支持快速的细胞分裂。与小肠中观察到的速率相似，肿瘤中的腺苷酸（AMP）和鸟苷酸（GMP）池的标记率大约为1%至2%。　　此外，研究者们还观察了腺嘌呤、腺苷、肌苷、次黄嘌呤、鸟苷和鸟嘌呤在肿瘤异种移植中的补救合成的贡献。尽管这些嘌呤碱基和核苷在肿瘤中的富集度较低（1%至6%），但它们被有效地标记进入下游的嘌呤核苷酸中间体。在肿瘤中，腺嘌呤比腺苷更有效地标记AMP池，达到了大约4%的富集度。类似地，鸟苷比鸟嘌呤更有效地标记GMP池（鸟苷约为1%至2%，鸟嘌呤约为0.5%）。肌苷在肿瘤IMP池中的标记也比次黄嘌呤更为显著（肌苷约为2%至7%富集度，次黄嘌呤约为1.5%至4%）。　　值得注意的是，与上述健康组织中的观察结果类似，使用别嘌呤醇阻断次黄嘌呤的降解可以增加肿瘤中次黄嘌呤的富集度和补救合成。这些发现表明，肿瘤细胞通过从头合成和补救合成途径来维持其嘌呤核苷酸池，并且补救合成途径能够迅速将核苷酸回收到肿瘤核苷酸中。研究还发现，MYC原癌基因在肝细胞癌（HCC）模型中激活从头合成途径，表明在小鼠肿瘤模型中，嘌呤合成在功能上被激活，超出了基因表达分析的范围。（图7）图7三、两种合成途径对肿瘤生长的意义　　研究者们使用CRISPR-Cas9技术敲除了不同来源的癌细胞系中的从头合成酶GART或补救合成酶HPRT1和APRT，以评估这些途径在肿瘤生长中的作用。　　结果显示，敲除GART显著阻碍了肿瘤的形成，而HPRT1的缺失显著减缓了来自乳腺癌（Cal51）、肾癌（Renca）和结肠癌（MC38）细胞的肿瘤生长。体内注入实验进一步证实了HPRT1在肿瘤嘌呤补救合成中的关键作用，HPRT1缺陷的肿瘤中，来自15N4-肌苷、13C5-次黄嘌呤和15N5-鸟苷的嘌呤核苷酸标记显著减少。此外，通过RNA干扰技术敲低APRT也减少了腺嘌呤补救合成，并减缓了Cal-51衍生肿瘤的生长。这些发现表明，补救合成途径和从头合成途径在肿瘤生长中都发挥着关键作用，其中从头合成途径的影响更为显著。（图8）图8　　研究者们通过给小鼠口服给予富含嘌呤和嘧啶核苷酸单磷酸的混合物，发现可以显著加速不同癌细胞类型的肿瘤生长，这一实验现象提示核苷酸的可用性是肿瘤进展的一个限制因素。（图9）图9　　这些结果强调了嘌呤的补救合成途径在肿瘤生长和代谢中的重要性，并提示通过饮食补充核苷酸可以促进肿瘤生长。DISCUSSION•✦研究讨论✦•　　总之，这项研究促进了我们对组织和癌症中嘌呤合成途径的基本理解，并可能为日后设计合理的策略奠定基础，以靶向从头和补救途径来根除肿瘤生长，克服对化疗的耐药性和代谢适应性。参考文献[1] De novo and salvage purine synthesis pathways across tissues and tumors Tran, Diem H. et al. Cell, Volume 0, Issue 0PROFILEGerta Hoxhaj德克萨斯大学西南分校儿童医学中心研究所 （CRI） 助理教授　　新陈代谢改变是许多疾病的标志，包括癌症。Gerta Hoxhaj 的实验室有兴趣了解细胞如何重新连接其新陈代谢以促进癌细胞生长和存活的分子基础。他们利用经典生物化学、代谢组学、细胞生物学和小鼠模型的力量来解码疾病中改变的新陈代谢。END文案 | 姜笑南排版 | 姜笑南发布｜姜笑南世界生命科学大会RECRUIT关注我们，获取生命科学学界前沿｜促进更多的学术交流与合作业界前沿｜促进更快的产品创新与应用政策前沿｜促进更好的治理实践与发展

图1INTRODUCTION•✦研究介绍✦•研究背景Background　　在人体皮肤中，Merkel细胞和Ruffini末梢是两种机械感受器，分别位于表皮底部和真皮内部，在3D空间中密集分布。这种三维分布，可以使他们分别有效地感知皮肤的外力和应变。　　电子皮肤是一种仿生材料，模仿人类皮肤的触觉和感知功能。它通常由柔软的材料和集成的传感器组成，可以感知压力、温度、湿度等。虽然近年来有关电子皮肤的报道层出不穷，但它们都没有模仿机械感受器的三维空间分布。此外，在接近人类皮肤的空间分辨率下，法向力、剪切力和拉伸应变的解耦测量也仍然难以实现。研究意义Significance5月31日，清华大学张一慧教授课题组在《Science》上以研究论文形式发表了题为“A Three-Dimensionally Architected Electronic Skin Mimicking Human Mechanosensation”的研究成果。（图1）介绍了一种新型的三维电子皮肤(3DAE-Skin)，它模仿了人类皮肤中的机械感受器，能够将外部力量转换成电信号。3DAE-Skin通过其三维布局，实现了对法向力、剪切力和应变的解耦感知。研究团队采用了微制造技术和精确控制的机械组装，制造出了这种具有仿生三维构型的电子皮肤。3DAE-Skin的力和应变感知组件被安排在一个三维布局中，模仿了人类皮肤中的Merkel细胞和Ruffini末梢。这种设计使得3DAE-Skin能够通过简单的触摸同时测量物体的弹性模量和局部主曲率分量。（图2）图2HIGHLIGHT•✦研究亮点✦•技术亮点1仿生设计：模仿人类皮肤中Merkel细胞和Ruffini末梢的3D空间分布，设计出由力传感器和应变传感器组成的3D布局。2微细加工：采用转移印刷和机械引导组装技术，将2D电子器件组装成3D结构。3深度学习：训练深度神经网络模型，实现对物体接触力的空间分辨识别。RESULTS•✦研究结果✦•一、3DAE-Skin的仿生设计与制造　　3DAE-Skin由三层组成：表皮、真皮和皮下组织，每层的厚度和弹性模量都接近真实皮肤。感测组件和相关的电子电路主要嵌入在真皮层中，感测组件产生的信号通过数据采集和深度学习辅助的信号处理模块进行收集和处理。3DAE-Skin由功能性部分、基底和封装组成。功能性部分包括一个3D结构单元阵列，每个单元都与连接垫互连。每个3D功能单元采用九层结构，包括两层力感测层和两层应变感测层，以及封装每层感测层的五层聚酰亚胺(PI)。通过微制造技术，可以在预定义的平面布局中制造这种多层电子设备。转移印刷和机械引导组装技术使得2D电子设备能够转变为所需的3D配置。　　3DAE-Skin在单轴拉伸和压痕下的反应都在人类皮肤反应的典型范围内。由于异质封装策略利用非常柔软的材料来封装传感器和互连，3大皮肤也非常灵活和可拉伸，可以与假手的指尖兼容集成。（图3）图3二、3DAE-Skin的解耦感知机制和性能　　3DAE-Skin的解耦感知机制主要依赖于其独特的三维微观结构，力感测组件被安排在八臂网状结构上，将外部法向/剪切力转换为八臂网状结构上压阻式传感器的应变变化，每个臂上的压阻式传感器根据其所在位置和加载角度，对力的分量产生不同的响应。通过分析八臂笼状结构的静态平衡，可以将正常力和剪切力分量明确地联系到八个传感器的相对电阻变化上。通过这种方式，便可以独立地测量法向力和剪切力。　　随后，研究人员通过机械理论分析和有限元分析(FEA)，优化了传感器在臂上的位置，以实现较高的灵敏度和较大的线性范围。3DAE-Skin在压缩、剪切和拉伸测试中的响应性能定量地证明了3DAE-Skin的解耦传感能力。这种能力对于开发高级触觉系统非常重要，这些系统可以用于假肢、机器人和其他需要精细触觉反馈的应用中。（图4）图4三、3DAE-Skin的触觉系统3DAE-Skin的触觉系统能够创建一个空间-时间映射，可视化正常/剪切力和应变的分布。这种映射使用彩色八边形来表示力响应，颜色或大小表示正常力的大小，而黑色箭头或八边形的扭曲表示剪切力的大小和方向。（图5）图5通过结合深度神经网络(DNN)模型，3DAE-Skin的触觉系统能够实现超分辨率感知。DNN模型通过学习传感器的相对电阻变化与施加的正常力的位置和大小之间的关系，显著提高了力加载位置的预测精度。（图6）图63DAE-Skin的触觉系统还能够通过触摸同时测量物体（水果/面包）的弹性模量和主曲率分量。这为识别物体的软度和形状提供了重要信息，特别是在物体形状未知的实际情况下。也可用于长期监测物体的弹性模量和主曲率的变化，这对于评估食物的新鲜度或成熟度等应用非常有用。（图7）图7PROSPECT•✦应用前景✦•　　3DAE-Skin的先进设计和功能使其在多个领域具有广泛的应用前景，随着技术的进一步发展和完善，我们可以期待3DAE-Skin在未来的许多创新应用：1智能假肢和机器人技术：　　3DAE-Skin可以集成到智能假肢中，为截肢者提供更自然和敏感的触觉反馈，从而改善假肢的功能性和用户的使用体验。　　在机器人技术中，3DAE-Skin可以作为机器人手或其他接触式传感器的皮肤，提高机器人对环境的感知能力，使其能够更精确地执行任务，如物体操纵、精密装配等。2医疗和健康监测：　　3DAE-Skin可以用于监测患者的生理参数，如脉搏、血压和皮肤温度等。　　在远程医疗中，3DAE-Skin可以帮助医生进行远程诊断，通过触觉反馈模拟实际的医疗检查。3食品质量检测：　　3DAE-Skin可以用于检测食品的新鲜度和成熟度，通过测量食品的弹性模量来确定其质量。　　在食品加工和包装行业，3DAE-Skin可以帮助自动化机械更精确地处理易碎或柔软的食品。4可穿戴设备：　　3DAE-Skin可以集成到可穿戴设备中，为用户提供更加直观和个性化的交互体验。　　在运动和健身领域，3DAE-Skin可以监测运动员的动作和身体反应，提供实时反馈和训练建议。参考文献[1] Zhi Liu et al. ,A three-dimensionally architected electronic skin mimicking human mechanosensation.Science384,987-994(2024).DOI:10.1126/science.adk5556PROFILE张一慧清华大学，工程力学系 长聘教授　　致力于利用力学原理和多学科交叉解决世界科技前沿领域中的挑战性科学问题，当前的主要研究焦点是柔性微结构技术，侧重于发展能够重现或超越生物软组织力学/物理性能的结构化软材料，以及能够提供新功能或高性能的三维微电子器件。END文案 | 姜笑南排版 | 姜笑南发布｜姜笑南世界生命科学大会RECRUIT关注我们，获取生命科学学界前沿｜促进更多的学术交流与合作业界前沿｜促进更快的产品创新与应用政策前沿｜促进更好的治理实践与发展

图1INTRODUCTION•✦研究介绍✦•研究背景Background肿瘤细胞的快速增殖需求使得它们对其代谢状态进行重新编程，以获取更多的营养并加速分解代谢。传统的癌症治疗策略中，营养饥饿疗法通过降低循环中的葡萄糖和脂质水平，或者通过抗血管生成关闭肿瘤的营养供应，理论上可以限制肿瘤细胞的生长和转移。然而，这些策略的临床实践效果并不理想。肿瘤细胞强大的营养获取能力使得营养剥夺更多地损害正常细胞而非肿瘤细胞。      此外，高达80%的癌症患者存在不同程度的营养不良。营养缺乏不仅直接导致至少20%的癌症死亡，而且可能驱动癌细胞突变，使其对葡萄糖和脂质的捕食和代谢能力增强，变得更具有攻击性。因此，通过特异性干扰肿瘤代谢抑制肿瘤进展已经成为了当前研究的热点。研究目的Objectives戈谢病（Gaucher Disease, GD）是一种遗传性溶酶体储存障碍，由葡糖脑苷脂酶（GBA）的突变引起，其显著特征是葡萄糖基β-D-胆固醇（GlcChol）在溶酶体中异常积累，进而引发严重损伤。GlcChol 是胆固醇与葡萄糖糖基化作用的结果。鉴于肿瘤细胞与正常细胞在代谢特征上的差异，此研究的目的在于利用癌细胞对葡萄糖和脂质的高需求，诱导类似于GlcChol的积累，从而有效延缓肿瘤细胞的增殖。2024年5月13日，南京大学胡一桥团队在《Nature Nanotechnology》杂志发表题为“Nanoparticles for inducing Gaucher disease-like damage in cancer cells”的研究论文。（图1）RESULTS•✦研究要点✦•      该研究团队设计了一种由苯硼酸修饰的胆固醇（CholB）和白蛋白组成纳米粒子（AbCholB）。（图2）图2.AbCholB的制备过程。      白蛋白可通过脂蛋白受体（ LDLR） 将脂质货物运入细胞。CholB 进入癌细胞后释放出来与葡萄糖发生反应，生成与GlcChol相似的糖基化产物GlcCholB。GlcCholB 在溶酶体中积累并聚集成微米大小的晶体，导致溶酶体肿胀和类似 GD 的损伤。（图3）图3.AbCholB在癌细胞内诱导戈谢病样损伤的示意图。       此外，与GD细胞类似，哺乳动物雷帕霉素靶标（mTOR）的营养传感功能也会因癌细胞中GlcCholB的积累而被钝化。癌细胞失去了生存和增殖所需的营养感知能力，最终导致代谢功能障碍和细胞死亡。由于恶性细胞对葡萄糖和胆固醇的需求增加，它们会吞噬更多的AbCholB，并因此遭受更严重的GlcCholB积累和类似GD细胞的损伤。相比之下，正常细胞由于争夺营养的能力较弱，不会受到类似的损害。（图4）图4.AbCholB诱导GD样损伤抑制肿瘤生长和转移。DISCUSSION•✦研究讨论✦•研究亮点1此策略巧妙地模仿了戈谢病的损伤机制，将原本促进肿瘤细胞增殖的“营养”转化为抑制肿瘤细胞增殖的“毒物”。2与其他癌症靶向纳米颗粒不同，由于肿瘤细胞对营养的贪婪特性，这种方法具有高度的特异性，能够确保正常细胞免受损伤。参考文献Yue C, Lu W, Fan S, Huang Z, Yang J, Dong H, Zhang X, Shang Y, Lai W, Li D, Dong T, Yuan A, Wu J, Kang L, Hu Y. Nanoparticles for inducing Gaucher disease-like damage in cancer cells. Nat Nanotechnol. 2024 May 13. doi: 10.1038/s41565-024-01668-4. Epub ahead of print. PMID: 38740934.PROFILE胡一桥南京大学二级教授/博士生导师      在“生物材料与纳米生物学”领域从事多年研究工作，主持多项国家、省部级科研项目，包括国家重大科技专项（纳米专项），国家自然科学基金，江苏省支撑计划等。首创国际领先的“折叠/解折叠”生物材料纳米组装理论及技术，获得美国、欧洲、日本、中国等国授权专利10余项，相应产品获得国家药监局批准上市。END文案 | 张婷婷排版 | 张婷婷、姜笑南审核 | 姜笑南发布｜姜笑南世界生命科学大会RECRUIT关注我们，获取生命科学学界前沿｜促进更多的学术交流与合作业界前沿｜促进更快的产品创新与应用政策前沿｜促进更好的治理实践与发展