癌细胞为何会卷土重来？读懂肿瘤细胞如何促进化疗耐药性以及如何克服耐药性

耐药性又称抗药性，一般是指病原体与药物多次接触后，对药物的敏感性下降甚至消失，致使药物对该病原体的疗效降低或无效。了解对化疗的耐药性是如何产生的，可能会促使更好的抗癌治疗。

 

当一部分被称为持续性细胞的肿瘤细胞在化疗中存活下来时，癌症就会复发。在治疗药物存在的情况下，这些持续存在的细胞大多数是不分裂的（静止的），但在治疗过程中，一个罕见的亚群可以重新进入细胞周期，从而使它们能够增殖。许多研究都集中在这种抗药性的遗传机制上。然而，新出现的数据表明，非遗传机制（如DNA和蛋白质复合体染色质的变化）也可能在持续状态的发展中发挥作用。近期，研究人员在Nature上发表了一篇“A persistent look at how tumours evade therapy”的文章。Oren等人通过使用一种称为DNA条形码的方法来追踪肿瘤细胞及其后代，研究了持续性细胞的细胞谱系和基因表达谱。他们的发现阐明了非遗传、可逆机制在不同组织的一系列肿瘤化疗耐药中的作用。

 

作者分析了体外培养的人肺癌细胞的细胞分裂，这些细胞编码表皮生长因子受体（EGFR）的基因发生了突变。用这种受体的抑制剂奥希替尼（osimertinib）来处理细胞。Oren和他的同事追踪了肿瘤细胞系的细胞谱系，发现8%的谱系在14天后产生了持续性细胞，13%的持续性细胞恢复了细胞周期并增殖形成细胞集落。这些结果表明，这些周期性和非周期性的持续细胞在治疗过程中早期出现，并且它们是从不同的细胞谱系进化而来的。

 

为了描述与周期和非周期持续细胞相关的分子机制，作者开发了一个称为“西瓜”（Watermelon）的系统，同时追踪每个细胞的谱系、增殖状态和转录状态（如图）。为了确定持续性状态是否是由于持续性细胞的遗传、不可逆特性所致，作者在治疗暂停后将持续性细胞群体重新暴露于奥希替尼。他们发现，两种细胞都重新获得了药物敏感性，这表明一种非遗传、可逆的机制是持续性的基础。

 

作者使用单细胞RNA测序方法在两周治疗期间的不同时间点评估了基因表达，并比较了周期性和非周期性的特征。周期性持续状态的独特特征是产生抗氧化分子的防御程序的上调，包括抗氧化谷胱甘肽代谢的表达特征，以及蛋白NRF2的产生，NRF2是氧化应激诱导的转录因子。此外，与具有大量后代持续性细胞的谱系相关的几个NRF2靶基因的表达，以及细胞的基因工程消耗NRF2的负调节因子，导致周期性的持续性细胞比例增加。

 

奥希替尼可诱导活性氧（ROS）的形成，从而可引起氧化应激。在治疗结束时，周期持续者的ROS水平显著低于非周期持续者。当作者通过添加ROS清除剂分子来降低细胞中的ROS水平时，周期持续的细胞比例增加。因此，这些分析表明，细胞的氧化还原状态在周期持续性的调节中起作用。

 

认识到氧化还原平衡与新陈代谢有关，作者分析了周期和非周期持续者的代谢产物，并确定了这两种细胞群之间56种丰度不同的产物。作者发现，在周期性状态下，与肉碱分子(脂肪酸氧化的一个初步步骤的结果)相关的脂肪酸比在非周期状态下更丰富。作者还指出，奥希替尼治疗导致脂肪酸氧化增加。影响脂肪酸氧化途径的调节表明，增加或减少脂肪酸氧化分别导致周期持续者比例的增加或减少。这些结果支持这样一种观点，即脂肪酸氧化的代谢转变会影响持续性细胞的增殖能力。

 

为了测试他们的观察是否超出了肺癌的模型系统，Oren等人利用黑色素瘤、肺癌、乳腺癌和结直肠肿瘤制作了更多类型的人类癌症的“西瓜”模型。他们用合适的抑制剂治疗细胞，这是化疗的特点，取决于特定癌症的基因。在大多数模型中，与非周期持续者相比，周期性持续者表现出较高的脂肪酸代谢、抗氧化反应和NRF2特征，表明作者的发现扩展到肺癌以外的癌症类型。

 

这些体外研究结果通过一个工程小鼠模型得到验证，在该模型中，动物在肺肿瘤中具有诱导型突变EGFR。经奥希替尼治疗后，与未接受治疗的小鼠相比，持续性细胞具有更高水平的ROS和脂肪酸代谢特征的基因表达特征。作者还评估了EGFR驱动的肺腺癌患者的细胞样本在化疗前后的基因表达变化，这些患者患有由BRAF酶突变驱动的黑色素瘤(使用BRAF抑制剂和MEK酶抑制剂治疗)，以及HER2蛋白突变导致的乳腺癌(用拉帕替尼治疗)。在所有这些情况下，与未处理的肿瘤细胞相比，治疗后持续性细胞中ROS生成和脂肪酸代谢的特征都增加了，而且在周期性的持续性细胞高于非周期的持续性细胞。

Oren和他的同事的研究符合当前强调——非遗传机制在持续性细胞存活和增殖中的重要性的更广泛的背景。在研究持续性肿瘤细胞时，一个主要问题是，它们只占初始肿瘤细胞数量的一小部分，因此很难通过对细胞进行批量测序来确定它们的特征。作者的“西瓜”方法的价值在于，它能够在单个细胞的分辨率上详细描述持续化者。未来的一个方向可能是应用类似的单细胞方法来研究其他类型癌症的非遗传耐药机制，如胰腺癌或前列腺肿瘤，这些领域的研究正在兴起。

 

了解持续性细胞的动态对开发更有效的癌症化疗至关重要。先前的研究发现，对雌激素的反应途径(在乳腺癌中有作用)和与细胞死亡过程相关的途径与持续状态有关。Oren等人发现，尽管抑制这些途径确实减少了持续细胞的数量，但周期性的持续细胞的比例增加了，这表明这些不是最佳化疗靶点。

 

相比之下，作者报告说，使用抑制剂药物依托莫司（etomoxir) 抑制脂肪酸氧化的途径，会导致持续存在的细胞比例和周期持续的细胞比例降低。这一令人振奋的结果表明，在开发新的治疗策略时，该途径的调节以及与该途径相关的基因值得考虑。