研究發現微環境中衰老細胞導致臨床治療抵抗的新機制

10月17日，國際學術期刊《自然-通訊》（Nature Communications）在線發表了中國科學院上海生命科學研究院（營養與健康研究院）孫宇研究組題為Targeting SPINK1 in the damaged tumour microenvironment alleviates therapeutic resistance 的最新研究成果。該論文發現臨床治療過程中微環境內出現大量因藥物損傷而衰老的細胞群，後者成為持續性產生多種促炎因子的活躍源泉，其中一種名為SPINK1的可溶蛋白通過基質細胞高度合成與胞外釋放，源源不斷進入受損的微環境太空，改變殘存癌細胞多種表型並促使其獲得多葯耐藥性，從而導致臨床治療抵抗。同時，大數據分析表明，循環血液中SPINK1蛋白含量的動態變化，同患者生存密切相關，可以作為將來臨床預後與療效評價的精確指標，為提高臨床醫學抗癌成功率提供了重要靶標和判斷依據。

儘管癌症的特效藥物和治療手段日新月異，但癌症仍然是人類當前主要的死亡原因。腫瘤的發生、進展及轉移受到癌細胞自身的強烈影響，但更與腫瘤微環境的相互作用密不可分。大多數抗癌療法都針對癌細胞自身，而忽略了其周圍的局部微環境。作為腫瘤微環境的關鍵組成部分，基質組織對於癌症有著重要意義。近年研究表明微環境是腫瘤耐葯等現象的「幫凶」，儼然成為疾病預防和治療的關鍵因素之一。然而，微環境在臨床中究竟是如何扮演這些角色的呢？

在這一新研究中，博士研究生陳斐等人首先根據人源全轉錄組數據深度分析，發現微環境中的基質細胞在經過放化療等手段處理之後並不直接出現類似癌細胞的典型凋亡特徵，而是隨即進入另外一種狀態，即細胞衰老。伴隨這一變化的，則是以大量生成炎性因子為主要特點的衰老相關分泌表型(senescence-associated secretory phenotype, SASP)。儘管人們對於SASP表達譜中大多數因子的生物功能和病理影響已經清楚，但個別分子在腫瘤進展中的意義仍屬未知。其中表達幅度較為突出的SPINK1 (serine protease inhibitor Kazal-type I,又名PSTI或TATI)是一種絲氨酸肽酶抑製因子。過往研究表明，SPINK1在人體中主要是抑製胰腺蛋白酶原的成熟性激活和隨後酶活性的釋放，而該因子的突變可以造成慢性胰腺炎，並向胰腺癌過度。

在攝護腺癌患者中，SPINK1的表達與ETS gene fusion為相互排斥事件。SPINK1在癌細胞中的表達水準同患者臨床預後呈顯著負相關，而大數據研究證實SPINK1作為outlier的表達可以作為攝護腺切除手術之後患者biochemical recurrence的一個獨立預測因子。儘管十年前這一現象已被美國University of Michigan的Arul Chinnaiyan的研究小組發現，該實驗室後來也進行了一系列的深入研究，但仍然集中於攝護腺癌上皮細胞，來自攝護腺微環境的影響並未考慮在內。

鑒於上述實驗結果，孫宇組的研究數據表明大多數造成DNA damage的藥物包括電離輻射本身均能誘導SPINK1在人源基質細胞中大幅上調，而同組織來源的癌細胞則無顯著變化。這種來源於組織微環境非癌細胞的SPINK1，究竟有何重要意義？研究人員隨後對常見的實體瘤進行了分析。在一個攝護腺癌臨床隊列中，化療後階段的患者體內出現了明顯的SPINK1蛋白，這與化療前時期形成鮮明對比。更為重要的在於，SPINK1蛋白在病灶中的表達，集中體現於腺體周邊的基質組織，而非人們平時最關注的腺體中的上皮細胞。根據基質細胞中其它蛋白表達水準或者活化程度進行類似的病理分級之後，結果顯示SPINK1的表達同已知的SASP表型的兩個典型標記物IL-8和WNT16B的表達狀態呈現密切關聯。同時，SPINK1在基質細胞中的表達水準越高，患者的臨床預後越差，生存期越短，暗示SPINK1具有突出的病理意義。

相比於原代基質細胞CM，SPINK1陽性基質CM可以深刻改變癌細胞的表達譜。PC3和DU145這兩個細胞系中出現protein-coding，lncRNA，miRNA，miscRNA和pseudogene等成分的普遍變化。在PC3和DU145之間差異表達的基因有465個；在對這些分子進行系統分析之後發現，GO變化最顯著的是immune response, signal transduction和cellcommunication等方面。癌細胞在基質細胞來源的SPINK1作用下除了出現EMT和CSC development表型切換的同時，更呈現出angiogenesis類似的一系列相關變化，包括CD31/CD34等分子在轉錄本和蛋白水準均出現顯著上調。Expression site生信分析和體外tube formation assay檢測均證實了癌細胞這一血管生成的驚人趨勢。

在前臨床實驗中，研究人員使用了SPINK1的單克隆抗體，以及已被美國FDA批準的、臨床中用於阻斷EGFR的西妥昔單抗Cetuximab。有趣的是，化療/SPINK1單抗聯用造成的治療效果，甚至要高於化療/Cetuximab聯合的效果。這無論在小鼠腫瘤終端體積還是體內生物熒光信號的檢測上，都獲得了一致性數據。更重要的是，對腫瘤切片進行組化分析時，他們發現化療/SPINK1單抗聯用可以造成比化療/Cetuximab聯用更高的癌細胞凋亡率，暗示微環境中的SPINK1在攝護腺癌細胞表面可能不止EGFR這一個受體。

隨後的臨床數據表明，SPINK1可以在多種癌型化療後階段的患者血漿中被檢測到，其水準顯著高於化療前時期。此外，SPINK1同IL-8在同一批患者一對一的分析中呈現出一定程度的關聯。Immunoblot顯示出這兩個外泌因子在患者血漿中幾乎同時出現，且化療後階段同化療前時期之間形成鮮明對比。在原位腫瘤、外周血液之間的定量分析，進一步揭示了SPINK1和IL-8之間存在密切關聯，暗示局部微環境中的這些SASP因子最終要進入循環系統並可以作為臨床治療過程中評估癌症患者體內SASP發生髮展的新型標記物。

相比於近年國際上有關癌細胞耐藥性內在機制的一系列報導，這項研究深刻揭示了腫瘤微環境中的基質細胞在化療過程中可以迅速進入衰老階段並生成與釋放大量的SASP因子，其中的SPINK1可以激活療後階段殘存下來的癌細胞，使其獲得對於臨床藥物的抵抗。這種獲得性耐葯，正是造成日後腫瘤複發和轉移的生物學基礎，也成為患者在臨床中出現多葯耐葯等現象的重要病理根源。

該研究得到中國科技部、基金委、中科院等相關部門的資助。

腫瘤微環境中衰老細胞衍生的SASP因子SPINK1激活殘存癌細胞、導致其獲得性耐葯發生髮展的分子機制

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