Carbonic anhydrases reduce the acidity of the tumor microenvironment, promote immune infiltration, decelerate tumor growth, and improve survival in ErbB2/HER2-enriched breast cancer  

碳酸酐酶可降低腫瘤微環境的酸度，促進免疫浸潤，減緩腫瘤生長，并提高富含 ErbB2 HER2 的乳腺癌的生存率

期刊：Breast Cancer Research  

DOI：10.1186/s13058-023-01644-1  

 

摘要核心內容

 

本研究通過多維度方法（生物信息學分析、離體器官實驗、體內小鼠模型）揭示：  

碳酸酐酶（CAs）——尤其是胞外異構體（CA4/6/9/12/14）——在乳腺癌中動態表達，通過催化CO?/HCO??緩沖反應降低腫瘤微環境酸度。  

 

CA表達與預后相關性相反：在基底樣/三陰性乳腺癌中高表達預示不良預后，而在HER2富集型乳腺癌中卻顯著改善生存率（風險比HR=0.581）。  

 

CA抑制劑乙酰唑胺（ATZ） 加劇腫瘤酸化（pH降至6.8），減少免疫細胞浸潤（CD3?T細胞、CD19?B細胞、F4/80?巨噬細胞降低50%），抑制炎癥因子（IL1a/IL1b/IL6、NFκB1），并加速ErbB2誘導的小鼠乳腺癌生長（體積增長20倍 vs 對照10倍）。  

 

機制核心：CAs通過促進H?從癌細胞和間質中清除，提升pH，增強HER2陽性腫瘤的免疫浸潤與抗腫瘤炎癥反應。  

 

關鍵詞：乙酰唑胺、酸中毒、乳腺癌、碳酸酐酶、ErbB2/HER2、腫瘤免疫、代謝、灌注、腫瘤微環境  

 

研究目的

闡明CAs（特別是胞外異構體）在乳腺癌亞型中的表達模式及預后意義。  

 

探究CAs調控腫瘤微環境pH的分子機制（酸排泄、H?擴散動力學）。  

 

驗證CA抑制劑ATZ對腫瘤免疫微環境、代謝與生長的影響。  

 

解析HER2富集型乳腺癌中CA表達與免疫浸潤的臨床相關性。  

 

研究思路

生物信息學分析：  

 

整合人類蛋白質組數據庫（Proteomic Data Commons）、單細胞轉錄組（Broad Institute）和臨床預后數據（Kaplan-Meier Plotter），分析CA異構體在乳腺癌亞型中的表達及生存相關性。  

離體器官實驗：  

 

從人/鼠乳腺癌組織分離原代器官團，使用熒光探針（BCECF、carboxy-SNARF-1、Fluorescein DHPE）實時監測胞內/胞外pH動態。  

 

應用CA抑制劑（乙酰唑胺、AMB、FC5-207A）評估CA活性對酸排泄的貢獻。  

體內小鼠模型：  

 

ErbB2轉基因小鼠乳腺癌模型（自發成瘤）。  

 

干預組：每日腹腔注射ATZ（40 mg/kg）；對照組：溶劑（25% DMSO）。  

 

監測腫瘤生長（游標卡尺測量）、免疫組化（CD3/CD19/F4/80/Ki67/CD105）、微透析代謝分析（乳酸/葡萄糖）。  

關鍵技術創新：  

 

Unisense pH500微電極活體監測腫瘤pH梯度（圖8A）。  

 

測量數據與研究意義

CA表達與預后

數據：  

 

HER2富集型乳腺癌中，胞外CAs高表達顯著改善生存（HR=0.581, P<0.001）（圖3C）。  

 

基底樣乳腺癌中CA9/CA13高表達預示不良預后（HR=1.313–1.502）（圖5I,K）。  

 

意義：首次揭示CA在HER2陽性乳腺癌中的保護性作用，挑戰傳統“CA促癌”認知。  

 

pH動力學（圖6-7）

 

 

數據：  

 

胞外CAs通過加速CO?/HCO??緩沖反應，減少器官團核心-外周pH梯度（圖6F,H）。  

 

ATZ抑制胞內CA后，癌細胞凈酸排泄能力下降（圖7B,C）。  

 

意義：CAs通過提升H?有效遷移率，緩解腫瘤酸中毒。  

 

活體腫瘤pH（圖8A）

 

數據：  

 

ATZ處理組腫瘤核心pH降至6.8（對照組pH 7.2）。  

 

意義：CA抑制顯著加劇腫瘤酸化，為后續免疫抑制提供解釋。  

免疫與代謝（圖8-10）

 

數據：  

 

ATZ降低腫瘤內免疫細胞密度（T/B/巨噬細胞↓50%）（圖10D）、炎癥因子（IL1a/IL1b/IL6↓）（圖10E）。  

 

ATZ降低乳酸水平（腫瘤/血清/正常組織），但不影響葡萄糖/灌注（圖8C-E, 圖9C-D）。  

 

意義：CA活性通過調節pH影響免疫浸潤與代謝重編程。  

腫瘤生長（圖8B）

 

數據：  

 

ATZ處理4周后腫瘤體積增長20倍（對照組10倍）。  

 

意義：CA抑制在HER2陽性模型中加速腫瘤進展，與臨床生存數據一致。  

 

Unisense微電極數據的深度解析

 

技術原理與創新性

設備組成：  

 

pH500玻璃微電極（Unisense, Denmark）：針型傳感器（直徑≈1mm），直接插入活體組織。  

 

高靈敏度放大器：實時轉換H?濃度至電壓信號，精度達0.01 pH單位。  

 

空間定位：以1mm步進深度記錄pH梯度（腹膜表面→腫瘤核心）。  

 

校準方法：  

 

使用標準緩沖液（pH 4.0/7.0/10.0）預校準，術中參比電極置于腹腔。  

實驗設計：  

 

小鼠麻醉后暴露腫瘤，微電極逐步穿刺（圖8A），同步記錄不同深度pH。  

 

對比ATZ處理組與對照組，明確CA抑制對腫瘤內pH異質性的影響。  

 

研究意義

揭示腫瘤pH空間異質性：  

 

首次在活體證實HER2陽性腫瘤核心pH（7.2）高于傳統模型（如致癌劑誘導型pH 6.7），提示亞型特異性酸代謝。  

 

ATZ使核心pH降至6.8，證明CAs是維持堿性微環境的關鍵。  

關聯免疫抑制機制：  

 

微電極數據直接關聯ATZ導致的酸化與免疫細胞浸潤減少（圖10D），為“酸中毒抑制免疫”假說提供活體證據。

  

技術優勢：  

 

活體動態監測：避免離體組織pH偏移，真實反映腫瘤微環境。  

 

高空間分辨率：1mm步進精度捕捉pH梯度，優于非侵入式成像（如PET）。  

 

局限性

單點穿刺：僅反映穿刺路徑pH，對腫瘤異質性覆蓋不足。  

 

麻醉影響：可能改變基礎代謝狀態，需結合清醒動物監測驗證。  

 

結論

CA的雙重角色：  

 

在HER2富集型乳腺癌中，胞外CAs通過提升pH增強免疫浸潤，抑制腫瘤生長，改善生存。  

 

在基底樣乳腺癌中，CA9/CA13高表達促進惡性進展。  

ATZ的悖論效應：  

 

抑制CA加劇腫瘤酸化，減少CD3?/CD19?/F4/80?細胞浸潤，削弱抗腫瘤免疫，加速HER2陽性腫瘤生長。  

臨床啟示：  

 

HER2陽性患者慎用CA抑制劑（如青光眼治療）；靶向CA異構體需考慮乳腺癌亞型特異性。  

 

創新模型

 

提出“CA-pH-免疫軸”調控機制（圖11）：  

HER2富集型：CA高表達 → pH↑ → 免疫細胞浸潤↑ → 炎癥反應↑ → 腫瘤控制↑。  

 

基底樣型：CA9↑ → pH↓ → 免疫逃逸 → 進展加速。  

 

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圖示總結：  

圖1：CAs催化CO?/HCO??緩沖反應促進H?清除  

 

圖6：CA抑制加劇器官團pH梯度  

 

圖8A：Unisense微電極活體記錄腫瘤pH  

 

圖10：ATZ減少免疫細胞浸潤  

 

圖11：CA生存獲益依賴腫瘤炎癥狀態