2018年
10月17日，國際知名學術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國科學院上海生命科學研究院（營養(yǎng)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(fā)現(xiàn)臨床治療過程中微環(huán)境內(nèi)出現(xiàn)大量因藥物損傷而衰老的細胞群，后者成為持續(xù)性產(chǎn)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(zhì)細胞高度合成與胞外釋放，源源不斷進入受損的微環(huán)境空間，改變殘存癌細胞多種表型并促使其獲得多藥耐藥性，從而導致臨床治療抵抗。同時，大數(shù)據(jù)分析表明，循環(huán)血液中SPINK1蛋白含量的動態(tài)變化，同患者生存密切相關，可以作為將來臨床預后與療效評價的精確指標，為提高臨床醫(yī)學抗癌成功率提供了重要靶標和判斷依據(jù)。
盡管癌癥的特效藥物和治療手段日新月異，但癌癥仍然是人類當前主要的死亡原因。腫瘤的發(fā)生、進展及轉(zhuǎn)移受到癌細胞自身的強烈影響，但更與腫瘤微環(huán)境的相互作用密不可分。大多數(shù)抗癌療法都針對癌細胞自身，而忽略了其周圍的局部微環(huán)境。作為腫瘤微環(huán)境的關鍵組成部分，基質(zhì)組織對于癌癥有著重要意義。近年研究表明微環(huán)境是腫瘤耐藥等現(xiàn)象的“幫兇”，儼然成為疾病預防和治療的關鍵因素之一。然而，微環(huán)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(jù)人源全轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)深度分析，發(fā)現(xiàn)微環(huán)境中的基質(zhì)細胞在經(jīng)過放化療等手段處理之后并不直接出現(xiàn)類似癌細胞的典型凋亡特征，而是隨即進入另外一種狀態(tài)，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)。盡管人們對于SASP表達譜中大多數(shù)因子的生物功能和病理影響已經(jīng)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制因子。過往研究表明，SPINK1在人體中主要是抑制胰腺蛋白酶原的成熟性激活和隨后酶活性的釋放，而該因子的突變可以造成慢性胰腺炎，并向胰腺癌過度。
在前列腺癌患者中，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平同患者臨床預后呈顯著負相關， 而大數(shù)據(jù)研究證實SPINK1作為outlier的表達可以作為前列腺切除手術(shù)之后患者biochemical recurrence的一個獨立預測因子。盡管十年前這一現(xiàn)象已被美國University of Michigan的Arul Chinnaiyan的研究小組發(fā)現(xiàn)，該實驗室后來也進行了一系列的深入研究，但仍然集中于前列腺癌上皮細胞，來自前列腺微環(huán)境的影響并未考慮在內(nèi)。
鑒于上述實驗結(jié)果，孫宇組的研究數(shù)據(jù)表明大多數(shù)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(zhì)細胞中大幅上調(diào)，而同組織來源的癌細胞則無顯著變化。這種來源于組織微環(huán)境非癌細胞的SPINK1，究竟有何重要意義？研究人員隨后對常見的實體瘤進行了分析。在一個前列腺癌臨床隊列中，化療后階段的患者體內(nèi)出現(xiàn)了明顯的SPINK1蛋白，這與化療前時期形成鮮明對比。更為重要的在于，SPINK1蛋白在病灶中的表達，集中體現(xiàn)于腺體周邊的基質(zhì)組織，而非人們平時最關注的腺體中的上皮細胞。根據(jù)基質(zhì)細胞中其它蛋白表達水平或者活化程度進行類似的病理分級之后，結(jié)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(tài)呈現(xiàn)密切關聯(lián)。同時，SPINK1在基質(zhì)細胞中的表達水平越高，患者的臨床預后越差，生存期越短，暗示SPINK1具有突出的病理意義。
相比于原代基質(zhì)細胞CM，SPINK1陽性基質(zhì)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(xiàn)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(tǒng)分析之后發(fā)現(xiàn)，GO變化最顯著的是immune response, signal transduction和cellcommunication等方面。癌細胞在基質(zhì)細胞來源的SPINK1作用下除了出現(xiàn)EMT和CSC development表型切換的同時，更呈現(xiàn)出angiogenesis類似的一系列相關變化，包括CD31/CD34等分子在轉(zhuǎn)錄本和蛋白水平均出現(xiàn)顯著上調(diào)。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、臨床中用于阻斷EGFR的西妥昔單抗Cetuximab。有趣的是，化療/SPINK1單抗聯(lián)用造成的治療效果，甚至要高于化療/Cetuximab聯(lián)合的效果。這無論在小鼠腫瘤終端體積還是體內(nèi)生物熒光信號的檢測上，都獲得了一致性數(shù)據(jù)。更重要的是，對腫瘤切片進行組化分析時，他們發(fā)現(xiàn)化療/SPINK1單抗聯(lián)用可以造成比化療/Cetuximab聯(lián)用更高的癌細胞凋亡率，暗示微環(huán)境中的SPINK1在前列腺癌細胞表面可能不止EGFR這一個受體。
隨后的臨床數(shù)據(jù)表明，SPINK1可以在多種癌型化療后階段的患者血漿中被檢測到，其水平顯著高于化療前時期。此外，SPINK1同IL-8在同一批患者一對一的分析中呈現(xiàn)出一定程度的關聯(lián)。Immunoblot顯示出這兩個外泌因子在患者血漿中幾乎同時出現(xiàn)，且化療后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(lián)，暗示局部微環(huán)境中的這些SASP因子最終要進入循環(huán)系統(tǒng)并可以作為臨床治療過程中評估癌癥患者體內(nèi)SASP發(fā)生發(fā)展的新型標記物。
相比于近年國際上有關癌細胞耐藥性內(nèi)在機制的一系列報道，這項研究深刻揭示了腫瘤微環(huán)境中的基質(zhì)細胞在化療過程中可以迅速進入衰老階段并生成與釋放大量的SASP因子，其中的SPINK1可以激活療后階段殘存下來的癌細胞，使其獲得對于臨床藥物的抵抗。這種獲得性耐藥，正是造成日后腫瘤復發(fā)和轉(zhuǎn)移的生物學基礎，也成為患者在臨床中出現(xiàn)多藥耐藥等現(xiàn)象的重要病理根源。
該研究得到了中國科技部、基金委、中國科學院等相關單位的資助。（科技處）
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-06860-4
腫瘤微環(huán)境中衰老細胞衍生的SASP因子SPINK1激活殘存癌細胞、導致其獲得性耐藥發(fā)生發(fā)展的分子機制
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