PFAS 暴露重塑人類前列腺癌幹細胞代謝、改變信號通路並增加侵襲性行為

會議／場次： ENDO 2026／SY54
短講： SY54-03｜PFAS Exposures Shift Human Prostate Cancer Stem Cell Metabolism, Alter Signaling Pathways and Increase Aggressive Behavior
講者： Gail S. Prins, PhD

整理稿

演講引言與講者介紹

主持人 Lindsay Trevino 博士（希望之城綜合癌症中心 City of Hope Comprehensive Cancer Center 助理教授）：歡迎各位參加本場會議。今天非常榮幸邀請到 Gail S. Prins 博士為我們進行演講。Prins 博士是芝加哥伊利諾大學（University of Illinois Chicago, UIC）泌尿學科、生理學與生物物理學科、以及病理學科的 Michael Reese 講座教授，同時擔任 UIC 癌症中心前列腺癌研究計畫（Prostate Cancer Research Program）的共同主持人。Prins 博士擁有極為優異的研究團隊，長期獲得美國國家衛生研究院（National Institutes of Health, NIH）的資助，專注於前列腺發育、前列腺幹細胞、激素致癌作用、內分泌干擾物質（endocrine disrupting chemicals, EDCs）以及成人前列腺疾病的胎兒起源研究。今天她將為我們分享全氟與多氟烷基物質（per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS）暴露如何改變人類前列腺癌細胞的代謝型態、調控信號通路並增加其侵襲性行為。

Slides 延伸補充：根據演講投影片，本演講完整題目為「PFAS exposures shift human prostate cancer cell metabolism, alter signaling pathways and increase aggressive behavior」，講者 Gail S. Prins 教授來自美國芝加哥伊利諾大學（University of Illinois Chicago）。演講者已聲明無相關財務利益衝突（No financial relationships to disclose）。

致謝與研究團隊

Gail S. Prins 博士：非常感謝會議組織者的邀請，並向各位帶來芝加哥近西區（Near West Side）的問候。首先我要致謝我的研究團隊，照片中是與我共同執行 PFAS 研究計畫的實驗室成員。特別介紹 Wenyang Hu 博士，他是我們實驗室的研究副教授，長期與我合作並負責主持本計畫的日常實驗運作與督導。

此外，特別感謝上一位演講者 Zeynep Madak-Erdogan 博士。我們共同擔任美國國防部醫學研究計畫（DoD CDMRP）毒理學計畫的協同主持人（Co-investigator），本研究中所有的代謝組學（metabolomics）分析皆由 Madak-Erdogan 博士的團隊完成。

PFAS 化合物特性與前列腺癌流行病學背景

全氟與多氟烷基物質（PFAS）是一類人工合成且具高持久性的化學物質，目前已有超過 3,000 種衍生化合物。由於其化學結構極難降解，半衰期極長，因此常被稱為「永久化學物質（forever chemicals）」。PFAS 廣泛存在於各類消費品中，並透過食品接觸、皮膚接觸以及飲用水污染進入人體與環境。全美許多地區的水源均受到不同程度的 PFAS 污染，已成為極嚴重的公共衛生議題。

在眾多 PFAS 化合物中，最具代表性且生產量最高的是傳統 PFAS 化合物：全氟辛酸（Perfluorooctanoic acid, PFOA）與全氟辛烷磺酸（Perfluorooctanesulfonate, PFOS）。過去在其他組織的研究顯示，PFOA 與 PFOS 在細胞內主要模擬小型脂肪酸的功能，並透過活化過氧化物酶體增殖物活化受體（peroxisome proliferator-activated receptors, PPARs）——包括 PPARα 與 PPARγ 等途徑發揮作用。

在高濃度職業暴露於 PFAS 的男性流行病學調查中，資料顯示 PFAS 暴露與前列腺癌的發生率上升及前列腺癌死亡率增加顯著相關。然而，目前關於 PFAS 如何影響前列腺癌發生與惡化的分子機制研究仍相當匱乏。

前列腺幹細胞與癌症發生學模型

大約 10 年前，Bert Vogelstein 教授團隊於《Science》期刊連續發表了兩篇重要研究，分析人體 25 種不同組織的終生癌症風險，發現組織的癌症發生風險與該組織內正常幹細胞的累計分裂次數呈高度線性正相關。這項發現表明，正常幹細胞（而非僅限於癌症幹細胞）的活性可能是癌症發生（cancer onset）與腫瘤侵襲性（cancer aggressiveness）的基礎。

基於此理論，我們實驗室提出核心假設：PFAS 暴露是否會影響人類前列腺的正常幹細胞與祖細胞（progenitor cells）？是否會改變癌症幹細胞樣細胞（cancer stem-like cells）的活性？若是，這些改變是否會推動前列腺癌的發生與侵襲性行為？

良性前列腺幹細胞與祖細胞之 PFAS 暴露研究

為了驗證上述假設，我們建立了人類前列腺良性上皮細胞的三維類器官/球體（spheroids）培養模型：

細胞來源：取自 20–25 歲無疾病的青年器官捐贈者（disease-free young organ donors）前列腺上皮細胞。
球體培養：原代培養 1–2 代後轉入球體培養環境。在該系統中，球體主要由原代培養中的駐留幹細胞（resident stem cells）透過不對稱細胞分裂（asymmetrical cell division）建立，並產生快速增殖的子代祖細胞（daughter progenitor cells）。
暴露方案：將球體連續代培（serial passage）長達 4 週，期間持續暴露於 10 nM 的 PFOA 或 PFOS。

實驗結果與單細胞 RNA 測序分析：

球體數量與體積：暴露於 10 nM PFOA 或 PFOS 4 週後，球體的總數量與平均體積均呈現顯著增加，表明 PFAS 刺激了幹細胞活性及祖細胞的增殖能力。
單細胞 RNA 測序（single-cell RNA-seq）：對 4 週暴露後的球體進行分析，結果顯示 PFOA 與 PFOS 暴露顯著富集了幹細胞族群（stem cell fraction），同時改變了分化祖細胞的譜系承諾（lineage commitment）——表現為基底祖細胞（basal progenitor cells）顯著減少，而早期腔上皮細胞（early-stage luminal cells）顯著富集。
PPAR 受體表現分析：利用 UMAP 降維圖譜定位前列腺幹細胞標記（PDX1 於人類前列腺幹細胞呈高表現），檢測各受體表現量，發現 PPARα 在幹細胞族群及祖細胞中的表現量最高，PPARγ 次之，PPARδ 最低。這提示 PFOS/PFOA 的作用可能主要介由 PPARα 所驅動。
基因集富集分析（GSEA）：PFAS 暴露顯著調升了糖解作用（glycolysis）與氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS）相關基因集。此外，細胞增殖信號、TNF-α 經由 NF-κB 通路以及 KRAS 信號通路亦高度富集，這些通路皆與前列腺癌早期致癌過程（oncogenesis）密切相關。

代謝組學重塑：良性前列腺幹細胞之癌化代謝型態

為深入探討 PFAS 對代謝通路的影響，我們與 Zeynep Madak-Erdogan 博士合作進行代謝組學分析：

核心代謝通路改變：顯著改變的通路中，富集程度最高的是絲氨酸代謝（serine metabolism）（先前研究已知絲氨酸代謝在皮膚與乳腺幹細胞中會發生異常改變）。其他高度富集的通路包括：胺基酸代謝、麩胱甘肽代謝（glutathione metabolism）、華博效應（Warburg effect）以及葡萄糖-丙氨酸循環（glucose-alanine cycle）。
多捐贈者驗證：在另外 3 例青年器官捐贈者前列腺細胞中進行獨立重複，結果高度一致。
化合物選擇性（Compound Selectivity）：主成分分析（PCA）顯示，雖然 PFOA 與 PFOS 活化的代謝通路有相當重疊，但兩者仍呈現出化學物特異性的獨特代謝圖譜。
癌症代謝特徵比對：將數據比對已知癌症代謝特徵，發現葡萄糖與丙酮酸通路、絲氨酸通路顯著上調，乳酸（lactate）相反地下降，檸檬酸循環（citrate cycle/TCA cycle）被顯著活化，並伴隨胺基酸代謝改變。

上述結果證實：PFAS 暴露能在正常的幹細胞與祖細胞中建立一種「緻癌性代謝組（oncogenic metabolome）」，為隨後的癌變風險與侵襲性生長奠定基礎。

RWPE-1 良性前列腺上皮細胞株之幹細胞自體更新與轉化能力

由於原代細胞無法長期維持於多種功能性檢測中，我們轉向採用細胞株模型：RWPE-1（由人類性腺上皮細胞經 HPV 永生化建立的良性前列腺上皮細胞株）。

1. 幹細胞對稱自體更新（Symmetric Self-Renewal）檢測：

BrdU 脈衝-追蹤實驗（Pulse-Chase Experiment）：使用 1 µM BrdU 標記細胞 10 天（脈衝期），使所有分裂細胞納入 BrdU；隨後洗脫標記並進行 5 天的球體形成培養（追蹤期），第 5 天進行 BrdU 免疫染色。
對照組現象：不對稱細胞分裂後，每個球體內通常僅殘留 1 個 BrdU 標記的幹細胞。
PFAS 暴露組現象：暴露於 PFOA 或 PFOS 後，含有 2 個或 3 個 BrdU 標記幹細胞的球體比例大幅增加。這表明 PFAS 刺激了幹細胞進行對稱自體更新（symmetric self-renewal），增加了駐留幹細胞的絕對數量，從而提高了致癌風險。

2. 代謝組學與功能性轉化試驗：

代謝組改變：RWPE-1 暴露於 PFOA 與 PFOS 後，果糖、絲氨酸及檸檬酸代謝顯著富集。PCA 分析（PC1 與 PC3）顯示 PFOA 所誘發的代謝位移比 PFOS 更為顯著。
軟洋菜膠克隆形成試驗（Soft Agar Colony Formation Assay）：連續暴露 4 週後進行 3 週軟洋菜膠培養，PFOA 與 PFOS 暴露組的克隆形成數量與克隆體積均顯著增加，顯示其轉化能力（transformation activity）顯著提升。
Matrigel 滴入侵與遷移試驗（Matrigel Drop Invasion Assay / Stradnova Assay）：將細胞懸浮於高濃度 Matrigel 滴中，外圍包繞低濃度 Matrigel 漿。培養 4 天後，對照組幾乎無遷移；而 PFOA 與 PFOS 暴露顯著增強了細胞向外圍 Matrigel 的侵襲與遷移能力。

RWPE-2 癌症幹細胞模型與侵襲性行為增強

為了進一步評估 PFAS 對已確定癌細胞的影響，我們採用了 RWPE-2 細胞株（RWPE-1 轉染活化態 KRAS 的衍生成癌細胞株，具高度致瘤性）。

BrdU 標記試驗：PFAS 暴露使含有 3 個 BrdU 標記幹細胞的球體比例大幅增加，證實 PFAS 能進一步加速癌症幹細胞（cancer stem cells）的對稱自體更新。
軟洋菜膠試驗：克隆形成能力顯著高於未暴露對照組。
劃痕癒合試驗（Scratch Motility Assay）：在 24 小時內，PFOS 顯著加速了 RWPE-2 細胞的劃痕癒合與遷移（PFOA 在 24 小時劃痕試驗中加速效果較不明顯）。
Matrigel 滴入侵試驗：4 天時，PFOS 顯著加速了 RWPE-2 細胞向周圍基質的侵襲，PFOA 亦呈現促進侵襲作用。
癌症代謝組位移：RWPE-2 本身已具備癌症代謝組基線。儘管 PFAS 在癌症細胞（RWPE-2 及另一株轉移性細胞株 CWR1）中引起的代謝位移幅度小於良性細胞，但氣相層析質譜儀（GC-MS）分析仍顯示糖解途徑中間產物與關鍵胺基酸發生了顯著改變。

上游調節分子碳酸酐酶 9（CA9）作用機制與信號通路

為尋找調控上述代謝產物改變的上游分子，我們比對了 RWPE-1 與 RWPE-2 在 PFOA 暴露下的共通差異代謝物，發現碳酸酐酶 9（Carbonic Anhydrase 9, CA9） 是核心的上游調控分子。

CA9 的生理與病理特徵：

定位與功能：CA9 為缺氧誘發型膜結合酶，局限於細胞偽足（lamellipodia），促進細胞遷移與侵襲，並調控細胞內 pH 值平衡、糖解作用與 TCA 循環。
與 KRAS 的分子鏈結：活化態 KRAS 可阻斷缺氧誘導因子-1α（HIF-1α）的降解，進而直接促進 CA9 表現。文獻指出，KRAS 重排與 CA9 表現升高已成為前列腺癌惡化與高度侵襲性的關鍵標誌物。

分子通路驗證：

蛋白與 mRNA 表現：Western blot 顯示，PFOA 暴露導致 RWPE-1 與 RWPE-2 的 CA9 蛋白表現量大幅上調，PFOS 亦有部分上調作用。qPCR 證實 PFOA 顯著增加 CA9 mRNA 表現。
下游與上游信號通路：PFOA 暴露顯著增加了磷酸化 ERK（p-ERK）水平。使用蛋白酶體抑制劑 MG132 穩定 HIF-1α 後，證實 PFOA 暴露組的 HIF-1α 蛋白量顯著增加；而 PPARα 本身的蛋白表現量不受 PFAS 暴露影響。
免疫組織化學定位：在 RWPE-2 球體的免疫染色中，CA9 高度局限於 BrdU 標記的幹細胞本身，以及邊緣快速遷移的細胞中。

拯救實驗與藥理學阻斷驗證

為證實 CA9 與 PPARα 通路是否直接介導了 PFAS 誘發的侵襲性行為，我們進行了藥理學阻斷拯救實驗（Scratch assay, 24 小時）：

CA9 活性抑制劑：加入 CA9 專一性活性抑制劑（抑制其酶活性而非表現量）後，顯著逆轉了 PFOA 所誘發的劃痕癒合加速現象。
MEK 通路抑制劑（U0126）：阻斷上游 MEK/ERK 信號傳遞，同樣可逆轉 PFOA 誘發的細胞遷移加速。
PPARα 選擇性拮抗劑（GW6471）：在 PFOA 暴露同時加入 GW6471，幾乎完全阻斷了 PFOA 引起的 CA9 蛋白表現上調。

總結與臨床意義

本研究提供了直接的實驗證據，揭示了 PFAS 對人類前列腺幹細胞與癌症惡化的作用機制：

標靶幹細胞族群：PFAS 化合物（PFOA/PFOS）標靶並增加良性前列腺組織中的幹細胞數量以及癌症幹細胞數量，透過促進對稱自體更新產生長期生物學效應。
重塑癌症代謝組：PFAS 在良性前列腺幹細胞中建立了致癌性代謝組，並呈化合物選擇性模式；同時進一步修改癌症細胞的代謝特徵。
驅動侵襲性行為：PFAS 誘發良性幹/祖細胞展現癌化行為，並增強癌症幹細胞的遷移與侵襲能力。
CA9 通路介導機制：概念驗證數據表明，PFOA 透過活化 PPARα -> HIF-1α/p-ERK 通路上調 CA9 表現，CA9 作為關鍵上游調控因子驅動代謝改變與侵襲性行為。

現場問答

問題一：無血清培養基環境下 PFAS 的極性、疏水性與有效作用濃度

Steve Kregel 博士（Loyola University Chicago）：Prins 教授，非常精彩的研究。RWPE-1 與 RWPE-2 細胞是在無血清培養基（serum-free media）中生長，而 PFAS 化合物具有極高的疏水性。您在實驗中使用 10 nM 濃度，如果加入載體蛋白（例如 BSA）協助將 PFAS 帶入細胞中，是否能在更低的有效濃度下觀察到相同的效應？或者您是否認為目前使用的濃度可能偏高？

Gail S. Prins 博士：這是一個很好的技術問題。首先，我們測試過更低濃度，如果降至 1 nM，所觀察到的生物學效應會減弱，因此我們主要呈現 10 nM 的數據。關於加入 BSA 等載體是否能提升傳遞效率並降低所需劑量，我們尚未進行這項實驗，但這值得試驗。在我們的實驗設計中，非常強調維持培養基成分的一致性，因為培養基配方的任何改變都會顯著影響細胞的代謝狀態與代謝組圖譜，因此我們盡可能保持培養條件高度統一。

問題二：PFAS 所誘發的代謝重塑是否具備治療標靶潛力？

現場提問者（前排麥克風）：非常漂亮的演講。PFAS 建立了這種致癌性代謝組，從您呈現的數據或尚未發表的資料中，是否有線索顯示這些代謝重塑事件可以作為臨床治療的標靶？

Gail S. Prins 博士：答案是肯定的。事實上，目前已有針對 CA9 的小分子抑制劑正在進行前列腺癌臨床治療評估（原本是在未考慮 PFOA/PFOS 暴露的背景下開發）。我們不僅應關注單一代謝產物，更應關注調控這些代謝變化的上游分子（如 CA9 與 PPARα），這些上游調控節點完全具有轉化為治療標靶的潛力。

問題三：PFAS 是否引發 DNA 損傷進而誘發 EMT 與 CA9？

Ruth Keri 博士（Cleveland Clinic）：Gail，這是一場棒極了的演講。我想請教您是否檢測過 PFAS 是否會引起 DNA 損傷（DNA damage）？我提出這個思考的原因是：第一，DNA 損傷可導致 BrdU 納入增加；第二，DNA 損傷能誘發上皮-間質轉化（EMT）並誘導 CA9 表現。這是否可能是觸發後續不可逆級聯反應的源頭？

Gail S. Prins 博士：非常感謝您提供這個極具價值的思路！我們目前尚未針對 PFAS 誘發 DNA 損傷進行直接檢測，但我會立即安排實驗進行驗證。不過補充說明一點，在我們過往研究過的其他內分泌干擾化學物質中，多數並不直接引起 DNA 雙鏈斷裂或基因毒性，但針對 PFAS 的確需要進一步確認。

問題四：PFAS 是否賦予細胞「代謝適應性（Metabolic Adaptability）」？

Don DeFranco 博士（University of Pittsburgh）：精彩的演講！由於被 PFAS 改變的代謝通路如此廣泛（糖解、氧化磷酸化、單碳代謝等），您認為 PFAS 的核心作用是否在於賦予細胞強大的「代謝適應性（metabolic adaptability）」，使其能夠抵禦任何環境或營養改變？如果使用線粒體複合物 I（Complex I）抑制劑阻斷氧化磷酸化，或是將培養基中的葡萄糖替換為半乳糖（galactose）以關閉糖解作用，PFAS 誘發的癌化效應會被進一步放大還是被阻斷？

Gail S. Prins 博士：這是一個非常深刻且值得探索的方向！代謝適應性極可能是這些幹/祖細胞獲得更高致癌性與侵襲力的關鍵機制。前列腺癌細胞在癌變過程中的代謝位移非常特殊，早期傾向利用氧化磷酸化而減少糖解，到了轉移階段又再次切換。Zeynep 與我正在合作深入研究這些環境壓力下的代謝可塑性。

問題五：職業高劑量暴露與長期低劑量暴露的模型差異

現場提問者（後排麥克風）：您在開頭提到職業暴露於高濃度 PFAS 的男性前列腺癌風險較高。貴實驗室是否有建立模型來比較「長期低劑量暴露」（類似一般大眾當前的環境暴露）與「急性高劑量暴露」之間的差異？

Gail S. Prins 博士：我們在實驗室中並未採用高劑量突擊暴露，而是專注於「長期長程暴露（extended long-term exposures）」。例如，我們將多株細胞在 2D 與 3D 環境中連續暴露於低濃度 PFAS 長達 6 個月，並系統性比對早期應答與長達半年暴露後的晚期細胞與代謝重塑特徵。再次感謝大家提出如此深刻的討論！