藥明康德速遞:《Nature》綜述脫離癌細胞,基因突變之外另有方法(圖)

藥明康德報道:近日《Nature》深度綜述,解密癌細胞的“逃脫絕技”,除基因突變之外另有方法!

請看藥明康德團隊對《Nature》該綜述的編譯整理:

歷史上著名的魔術大師哈里·胡迪尼(Harry Houdini)最拿手的絕技就是“逃脫戲法”,他能夠從任何手銬、繩索、保險柜等束縛中成功逃脫。而癌細胞似乎也是細胞中的“胡迪尼”,無論采用什么類型的療法,總有一些癌細胞能夠逃脫療法的殺傷而卷土重來。它們又有什么“絕技”能夠屢屢逃脫抗癌療法的追殺?近日,Nature Reviews Drug Discovery上發表的一篇綜述對癌細胞的“逃脫戲法”進行了盤點。今天藥明康德內容團隊將結合這篇綜述與其它公開材料的內容,為讀者介紹一下癌細胞的“逃脫絕技”和我們能夠采取的應對策略

 

兩種不同的“逃脫方法”
在癌癥耐藥性的研究中,歷史上最受研發人員關注的是基因突變驅動的耐藥性。簡單來說,抗癌療法,尤其是靶向藥物,通常通過抑制特定靶點的功能來導致癌細胞的死亡。而癌細胞可以通過產生基因突變,導致它們可以繞過靶點被抑制的影響,比如在靶點蛋白上的突變導致藥物無法再跟靶點結合;或者激活信號通路下游的效應子,或者激活替代生存信號通路。這些基因突變可能原先就在很少的細胞中存在,也可能在接受藥物治療的過程中產生。帶來的結果是攜帶突變的癌細胞對靶向療法產生耐藥性。
而近年來的研究表明,癌細胞在不產生基因突變的情況下,也能夠對靶向療法產生耐藥性這種“逃脫方法”與癌細胞的可塑性(plasticity)相關,有些癌細胞通過在基因表達和表觀遺傳學方面的改變,轉變成為更能夠耐受抗癌療法的形態。這種耐藥性的產生方式近年來成為科學家們研究的重要方向。下面我們來看看這種耐藥性產生的機制。

 

▲基因突變介導和表觀遺傳學介導的耐藥性(圖片來源:參考資料[2])

藥物誘導可塑性(drug-induced plasticity)的機制
接受藥物治療后細胞可塑性的分子機制目前尚未完全闡明,不過癌細胞形態的轉變過程很可能分為兩步:第一步,癌細胞進入一個生長緩慢的藥物耐受狀態,然后這種細胞進一步重新編程,成為耐藥性細胞
分裂緩慢的細胞的出現
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從對藥物敏感的增殖狀態轉變為生長緩慢、對藥物耐受的狀態并不是癌細胞的“獨門絕技”。事實上,這種細胞狀態的改變最初在細菌中被發現,細菌在遇到抗生素挑戰后可以呈現對藥物產生耐受,但是生長緩慢的狀態。然而在去掉抗生素之后,它們又會恢復到增殖狀態,并且重新對抗生素敏感。這個現象表明耐藥的可塑性并不是由基因變化介導的。
有趣的是,在體外試驗表明,癌細胞也采用了類似的策略。這種對原本致命藥物產生暫時耐受能力的癌細胞亞群稱為“drug-tolerant persisters”(DTPs),它們最初在非小細胞肺癌(NSCLC)中被發現,而后在結腸癌、黑色素瘤和膠質母細胞瘤中也被發現。與細菌一樣,當去掉抗癌藥物之后,這些原本對藥物耐受的細胞又會生成對藥物敏感的細胞,意味著它們的耐藥狀態是暫時的
進一步的研究表明,細胞進入分裂緩慢的狀態是對藥物產生耐受的先決條件,而且這種耐藥機制似乎獨立于癌癥類型和藥物類型。這一發現意味著靶向細胞轉變為分裂緩慢狀態的過程是一種有趣的抗癌策略。例如,在基底細胞癌(BCC)中,如果迫使對藥物產生耐受的緩慢分裂細胞加快增殖,會讓它們重新對Hedgehog(Hh)信號通路抑制劑vismodegib敏感,導致細胞的死亡。

▲癌細胞產生暫時藥物耐受和永久抗藥性的重編程過程(圖片來源:參考資料[1])

轉變為對藥物產生永久抗性的細胞狀態
這些對藥物產生耐受,分裂緩慢的細胞能夠通過進一步的重新編程,獲得對藥物的永久抗性。這一重新編程的過程與表觀遺傳學和轉錄變化相關。此外,腫瘤的微環境和癌細胞的起源可能在抗性狀態的產生中也起到重要作用。
調控細胞可塑性的表觀遺傳學機制
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細胞對藥物耐受能力的可逆性表明,表觀遺傳學層面上的重新編程起到了非常重要的作用,近來的研究也表明,細胞表型的變化與組蛋白甲基化的顯著改變相關。例如,具有組蛋白甲基轉移酶功能的EZH2蛋白在神經內分泌前列腺癌中高度表達。神經內分泌前列腺癌是一種嚴重的去勢抵抗性前列腺癌。這些癌細胞轉化成為不依靠雄激素受體介導的信號通路進行增殖的形態,因此對靶向雄激素信號通路的療法產生耐藥性。使用遺傳學或者藥理手段在轉化為神經內分泌形態的前列腺癌細胞中抑制EZH2蛋白的活性,能夠逆轉這種細胞表型的轉變,恢復它們對藥物的敏感性
值得注意的是,EZH2的高度表達在肺癌小鼠模型中促進肺癌細胞分化為神經內分泌形態,這意味著EZH2可能在多種癌癥類型中介導神經內分泌表型的分化。
除了EZH2以外,名為REST的表觀遺傳學因子也在神經內分泌前列腺癌和肺癌中介導癌細胞向神經內分泌表型的分化。
調控細胞可塑性的重要轉錄因子和信號通路
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科學家們對癌細胞轉錄組的分析發現了與細胞可塑性相關的重要轉錄因子,其中SOX基因家族中的多個成員在介導藥物引發的細胞可塑性方面起到重要作用。其中,在動物試驗中,SOX2可以誘導前列腺癌和肺癌細胞分化為神經內分泌表型。SOX10能夠誘導黑色素瘤和乳腺癌細胞分化為與神經脊(neural crest)細胞類似的狀態,并且對藥物產生抗性
近年來的研究還發現了與藥物引發的細胞可塑性相關的多條信號通路。它們包括WNT-β-連環素信號通路, IL-6-STAT3信號通路,以及類維生素A X受體(retinoid X receptor, RXR)信號通路。

 

圖片來源:Pixabay
腫瘤微環境對細胞可塑性的影響
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實體瘤不但包括癌細胞,還包括成纖維細胞、內皮細胞、腫瘤浸潤免疫細胞等多種復雜成分。復雜的腫瘤微環境通過分泌因子和細胞外基質能夠調控細胞的可塑性,從而介導藥物抗性的產生。
癌癥相關成纖維細胞(CAFs)在黑色素瘤中通過分泌肝細胞生長因子(HGF)等可溶性因子,以及與癌細胞的接觸,促進療法抗性產生。臨床試驗數據表明,血漿中HGF因子水平越高,患者對BRAF抑制劑vemurafenib的響應越差。
除了CAFs以外,巨噬細胞、炎癥、和血管密度/分布都與藥物抗性的產生相關。
靶向癌細胞可塑性的策略
由于細胞可塑性在藥物耐受和抗性的產生方面具有的重要作用,靶向促進細胞可塑性的機制有望帶來更深入和持久的療效。針對細胞可塑性的治療策略可以分為三大類:通過抑制調控細胞可塑性的分子機制,防止可塑性的產生;特異性靶向細胞轉化之后的形態;逆轉細胞轉化的過程。下面我們來看看科學家們在這三個方面取得了哪些進展。

 


▲針對細胞可塑性的三種治療策略(圖片來源:
參考資料[1])

防止腫瘤細胞可塑性的產生
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因為對產生耐受的殘余癌細胞進行持續治療可能導致它們轉變為永久耐藥的形態,理論上使用間歇性治療可能幫助抑制抗性的產生。有趣的是,在使用vemurafenib治療黑色素瘤細胞時,間歇性給藥方式將細胞對藥物敏感的時間延長了一倍。間歇性治療方式在控制前列腺癌患者的腫瘤進展方面也表現出可喜的效果。
而應付細胞可塑性產生的另一個方法是靶向導致細胞表型變化的關鍵信號節點。目前有多款在研療法在臨床前和早期臨床試驗中靶向在細胞形態轉化中起到重要作用的表觀遺傳學因子、轉錄因子以及關鍵性信號通路,詳細信息請看下面的表格。

 

特異性靶向細胞轉化后的形態
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細胞轉化為對藥物產生抗性的形態之后,雖然對已有療法產生了抗性,但是可能暴露出新的弱點,靶向新的弱點可能帶來新療法。
例如,在NSCLC中,受體酪氨酸激酶AXL的表達與癌細胞的上皮間質轉化(EMT)特征相關,這意味著AXL可能成為治療NSCLC的新靶點。AXL抑制劑SGI-7079與EGFR抑制劑erlotinib聯用,能夠在小鼠模型中提高間質樣NSCLC細胞對erlotinib的敏感性。黑色素瘤細胞在接受藥物治療后也會提高AXL的表達,在腫瘤移植模型中,使用靶向AXL的抗體偶聯藥物和MAPK抑制劑能夠協同作用,抑制腫瘤的生長。
針對細胞轉化后形態中新靶點的研究信息請參見下面的表格。

逆轉細胞可塑性

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由于細胞可塑性主要受到表觀遺傳機制的調控,因此使用藥物療法逆轉這一過程,理論上可以讓這些細胞重新對藥物變得敏感。
如前所述,EZH2的高度表達與前列腺癌在接受第二代雄激素療法治療后轉化為神經內分泌前列腺癌相關。因此,多款EZH2抑制劑在多項臨床試驗中接受檢驗。然而,葛蘭素史克(GSK)公司的EZH2抑制劑GSK2816126在1期臨床試驗中并沒有表現出足夠的臨床活性。這意味著研究人員可能需要考慮其它表觀遺傳學調節因子,例如REST。
此外,使用靶向蛋白降解手段,可以靶向原先難于成藥的轉錄因子蛋白(例如SOX蛋白),從而對逆轉調控細胞可塑性的基因表達過程。在逆轉EMT過程方面,靶向E-鈣粘蛋白合成過程的JMF3086導致E-鈣粘蛋白的重新表達,并且讓NSCLC細胞系對EGFR酪氨酸激酶抑制劑重新產生敏感性。
逆轉細胞可塑性的研發信息請見下表。

 

結語
雖然靶向療法的問世給癌癥治療帶來了長足的進步,但是癌細胞也發展出相應的“逃脫絕技”。除了已被深入研究的基因突變以外,近來的研究發現細胞可塑性是癌細胞逃脫療法殺傷的重要原因。
靶向細胞可塑性有望提供一種改善已有療法的療效和持久性的獨特渠道。雖然近年來的研究發現了介導細胞可塑性的一些分子機制,但是想要更好地了解和靶向這一過程,我們還需要克服多重挑戰。其中包括發現更多預測性生物標志物,讓我們能夠依據細胞可塑性對患者進行細分。更精確地了解腫瘤細胞表型變化的動態進展,不同的患者在接受藥物治療后,殘余的腫瘤細胞可能處于不同的耐藥狀態。由于腫瘤的異質性,殘余的腫瘤細胞也可能采用不同的機制誘發可塑性的產生。因此,對殘余腫瘤細胞的分析將是指導進一步治療的關鍵。
我們期待隨著科技的進步,科學家們能夠克服這些挑戰,設計出堵死癌細胞逃脫之路的方法,延長患者的緩解時間,甚至讓治愈成為可能!

題圖來源:Pixabay

參考資料:

[1] Boumahdi & Sauvage, (2019). The great escape: tumour cell plasticity in resistance to targeted therapy. Nature Reviews Drug Discovery, https://doi.org/10.1038/s41573-019-0044-1

[2] Easwaran et al., (2014). Cancer Epigenetics: Tumor Heterogeneity, Plasticity of Stem-like States, and Drug Resistance. Molecular Cell, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2014.05.015.

[3] Pisco & Huang, (2015). Non-genetic cancer cell plasticity and therapy-induced stemness in tumour relapse: ‘What does not kill me strengthens me’. BJC, https://doi.org/10.1038/bjc.2015.146

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