質量分析イメージングとメタボロミクスを組み合わせることで、環境汚染物質が多細胞性腫瘍スフェロイドの増殖に及ぼす影響を明らかにする

Mass Spectrometry Imaging Combined with Metabolomics Reveal the Proliferative Effect of Environmental Pollutants on Multicellular Tumor Spheroids.

• Peisi Xie
• Xiaoping Liang
• Yuanyuan Song
• Zongwei Cai

抄録

多細胞性腫瘍スフェロイド（MCTS）は、固形がんの生理的特徴をよく再現している可能性があることから、がん研究の注目度が高まっています。MCTSは、外因性分子が腫瘍の進行に及ぼす影響を評価するための有用な三次元細胞モデルとして考えられてきました。しかし、外因性分子に曝露した後のMCTSの代謝反応についてはほとんど知られていない。ここでは、メタボロミクスとMALDI質量分析イメージング（MSI）を組み合わせて、ビスフェノールS（BPS）で処理した3次元MDA-MB-231乳がん細胞スフェロイドの増殖を調査した。MSIデータは、一般的な環境汚染物質であるBPSは、5分でMCTSに浸透し、4時間以内にMCTSのコアに徐々に局在化したことを明らかにした。その結果、エネルギー供給に大きな役割を果たす3つのアップレギュレーションされた代謝物（ATP、ADP、AMP）が細胞スフェロイドの増殖領域に分布していることが示され、BPS曝露によるMDA-MB-231細胞スフェロイドの増殖反応をさらに示唆していることが示された。また、反応性酸化ストレス（ROS）と関連したダウンレギュレートされた代謝物（キサンチン）は、細胞スフェロイドの内側領域に局在していることが明らかになった。これらのMSIの結果は、細胞スフェロイドの外層におけるエネルギー供給の増加がBPSによる増殖反応に関与している可能性を示した。この統合的な方法により、がんの進行に対する外因性分子の効果をより正確かつ直感的に評価できるようになるかもしれない。

Multicellular tumor spheroids (MCTS) have gained increasing attention in cancer research because they may closely mimic some physiological characteristics of solid tumors. MCTS have been considered as a useful three-dimensional cell model for evaluating the effect of exogenous molecules on tumor progression. However, little is known about the metabolic response in MCTS after exposure to exogenous molecules. Herein, we applied metabolomics combined with MALDI-mass spectrometry imaging (MSI) to investigate the proliferation of 3D MDA-MB-231 breast cancer cell spheroids treated with bisphenol S (BPS). MSI data revealed that BPS, a common environmental contaminant, penetrated in MCTS in 5 min and gradually localized in the core of MCTS within 4 h. Metabolomic data demonstrated that BPS exposure induced significant changes in the levels of 28 metabolites that are involved in several pathways, including purine metabolism and tricarboxylic acid (TCA) cycle. The MSI results showed that three up-regulated metabolites (ATP, ADP, AMP) acting major roles in energy supply distributed in the proliferative zone of cell spheroids, further indicating the proliferative response of MDA-MB-231 cell spheroids caused by BPS exposure. One-downregulated metabolite (xanthine) associated with reactive oxidative stress (ROS) was found to localize toward the inner region of cell spheroids. These MSI results demonstrated that the increase of energy supply in the outer layer of cell spheroids might be responsible for BPS-induced proliferative response. Taken together, this integrated method might offer a more accurate and intuitive assessment for the effect of exogenous molecules on cancer progression.