癌細胞為何會卷土重來？讀懂腫瘤細胞如何促進化療耐藥性以及如何克服耐藥性

耐藥性又稱抗藥性，一般是指病原體與藥物多次接觸后，對藥物的敏感性下降甚至消失，致使藥物對該病原體的療效降低或無效。了解對化療的耐藥性是如何產生的，可能會促使更好的抗癌治療。

 

當一部分被稱為持續性細胞的腫瘤細胞在化療中存活下來時，癌癥就會復發。在治療藥物存在的情況下，這些持續存在的細胞大多數是不分裂的（靜止的），但在治療過程中，一個罕見的亞群可以重新進入細胞周期，從而使它們能夠增殖。許多研究都集中在這種抗藥性的遺傳機制上。然而，新出現的數據表明，非遺傳機制（如DNA和蛋白質復合體染色質的變化）也可能在持續狀態的發展中發揮作用。近期，研究人員在Nature上發表了一篇“A persistent look at how tumours evade therapy”的文章。Oren等人通過使用一種稱為DNA條形碼的方法來追蹤腫瘤細胞及其后代，研究了持續性細胞的細胞譜系和基因表達譜。他們的發現闡明了非遺傳、可逆機制在不同組織的一系列腫瘤化療耐藥中的作用。

 

作者分析了體外培養的人肺癌細胞的細胞分裂，這些細胞編碼表皮生長因子受體（EGFR）的基因發生了突變。用這種受體的抑制劑奧希替尼（osimertinib）來處理細胞。Oren和他的同事追蹤了腫瘤細胞系的細胞譜系，發現8%的譜系在14天后產生了持續性細胞，13%的持續性細胞恢復了細胞周期并增殖形成細胞集落。這些結果表明，這些周期性和非周期性的持續細胞在治療過程中早期出現，并且它們是從不同的細胞譜系進化而來的。

 

為了描述與周期和非周期持續細胞相關的分子機制，作者開發了一個稱為“西瓜”（Watermelon）的系統，同時追蹤每個細胞的譜系、增殖狀態和轉錄狀態（如圖）。為了確定持續性狀態是否是由于持續性細胞的遺傳、不可逆特性所致，作者在治療暫停后將持續性細胞群體重新暴露于奧希替尼。他們發現，兩種細胞都重新獲得了藥物敏感性，這表明一種非遺傳、可逆的機制是持續性的基礎。

 

作者使用單細胞RNA測序方法在兩周治療期間的不同時間點評估了基因表達，并比較了周期性和非周期性的特征。周期性持續狀態的獨特特征是產生抗氧化分子的防御程序的上調，包括抗氧化谷胱甘肽代謝的表達特征，以及蛋白NRF2的產生，NRF2是氧化應激誘導的轉錄因子。此外，與具有大量后代持續性細胞的譜系相關的幾個NRF2靶基因的表達，以及細胞的基因工程消耗NRF2的負調節因子，導致周期性的持續性細胞比例增加。

 

奧希替尼可誘導活性氧（ROS）的形成，從而可引起氧化應激。在治療結束時，周期持續者的ROS水平顯著低于非周期持續者。當作者通過添加ROS清除劑分子來降低細胞中的ROS水平時，周期持續的細胞比例增加。因此，這些分析表明，細胞的氧化還原狀態在周期持續性的調節中起作用。

 

認識到氧化還原平衡與新陳代謝有關，作者分析了周期和非周期持續者的代謝產物，并確定了這兩種細胞群之間56種豐度不同的產物。作者發現，在周期性狀態下，與肉堿分子(脂肪酸氧化的一個初步步驟的結果)相關的脂肪酸比在非周期狀態下更豐富。作者還指出，奧希替尼治療導致脂肪酸氧化增加。影響脂肪酸氧化途徑的調節表明，增加或減少脂肪酸氧化分別導致周期持續者比例的增加或減少。這些結果支持這樣一種觀點，即脂肪酸氧化的代謝轉變會影響持續性細胞的增殖能力。

 

為了測試他們的觀察是否超出了肺癌的模型系統，Oren等人利用黑色素瘤、肺癌、乳腺癌和結直腸腫瘤制作了更多類型的人類癌癥的“西瓜”模型。他們用合適的抑制劑治療細胞，這是化療的特點，取決于特定癌癥的基因。在大多數模型中，與非周期持續者相比，周期性持續者表現出較高的脂肪酸代謝、抗氧化反應和NRF2特征，表明作者的發現擴展到肺癌以外的癌癥類型。

 

這些體外研究結果通過一個工程小鼠模型得到驗證，在該模型中，動物在肺腫瘤中具有誘導型突變EGFR。經奧希替尼治療后，與未接受治療的小鼠相比，持續性細胞具有更高水平的ROS和脂肪酸代謝特征的基因表達特征。作者還評估了EGFR驅動的肺腺癌患者的細胞樣本在化療前后的基因表達變化，這些患者患有由BRAF酶突變驅動的黑色素瘤(使用BRAF抑制劑和MEK酶抑制劑治療)，以及HER2蛋白突變導致的乳腺癌(用拉帕替尼治療)。在所有這些情況下，與未處理的腫瘤細胞相比，治療后持續性細胞中ROS生成和脂肪酸代謝的特征都增加了，而且在周期性的持續性細胞高于非周期的持續性細胞。

Oren和他的同事的研究符合當前強調——非遺傳機制在持續性細胞存活和增殖中的重要性的更廣泛的背景。在研究持續性腫瘤細胞時，一個主要問題是，它們只占初始腫瘤細胞數量的一小部分，因此很難通過對細胞進行批量測序來確定它們的特征。作者的“西瓜”方法的價值在于，它能夠在單個細胞的分辨率上詳細描述持續化者。未來的一個方向可能是應用類似的單細胞方法來研究其他類型癌癥的非遺傳耐藥機制，如胰腺癌或前列腺腫瘤，這些領域的研究正在興起。

 

了解持續性細胞的動態對開發更有效的癌癥化療至關重要。先前的研究發現，對雌激素的反應途徑(在乳腺癌中有作用)和與細胞死亡過程相關的途徑與持續狀態有關。Oren等人發現，盡管抑制這些途徑確實減少了持續細胞的數量，但周期性的持續細胞的比例增加了，這表明這些不是最佳化療靶點。

 

相比之下，作者報告說，使用抑制劑藥物依托莫司（etomoxir) 抑制脂肪酸氧化的途徑，會導致持續存在的細胞比例和周期持續的細胞比例降低。這一令人振奮的結果表明，在開發新的治療策略時，該途徑的調節以及與該途徑相關的基因值得考慮。