科學家發現腫瘤良轉惡的全新途徑，可作為化療和免疫療法的補充

facetook

2023-02-03

2019 年，著名主持人趙忠祥罹患鱗狀細胞癌，就醫時發現癌症已經擴散，幾個月後不幸去世。鱗狀細胞癌又名表皮癌，多見於有鱗狀上皮（一種上皮組織）覆蓋的部位, 包括皮膚，肺，消化系統，生殖系統等等。

多數鱗狀細胞癌被及時發現之後，可以通過手術切除治癒。但是，當在癌症晚期出現癌細胞轉移時，一般與較差的預後相關。

鱗狀細胞癌的復發率接近 10%，復發之後的腫瘤具有一定的侵襲性，因此更加難以治療。儘管鱗狀細胞癌的轉移率只有 0.3-3.7%，它的高發生率意味巨大數量的晚期病患，尤其在免疫缺陷的病人中常見，一旦發生轉移就會給患者帶來較大影響。

目前，要想對抗這類癌症還有一個未滿足的需求，即如何定義和區分良性腫瘤和惡性腫瘤的分子特徵，並利用這些差異特徵推進癌症預防和治療。

從良性乳頭狀瘤進展到晚期鱗狀細胞癌，通常被認為是轉移級聯的初始過程。轉移之前的腫瘤細胞會改變其分子和細胞狀態，從而侵入周圍的間質並進入體循環。這一現象常見於頭頸、肺和子宮頸等部位的鱗狀細胞癌。

為了防止轉移，了解鱗狀細胞癌的早期進展至關重要。有研究表明，化學誘變劑只會誘發少數的散發性良性腫瘤，偶爾會進展為鱗狀細胞癌。

此前，學界針對人類轉移性癌症進行了批量測序，發現了數百個基因突變，進一步支持了「多步誘變」假說。

最近有研究表明，腫瘤可以在僅有少數突變的情況下達到高度惡性的狀態。因此存在這樣一種可能性，即在腫瘤發生的早期階段，採用非遺傳手段有望推進癌症治療。

而在當前，在可以塑造腫瘤行為的影響因素中，人體組織微環境的重要性愈發受到關注。人們也發現，微環境可以影響惡性腫瘤的狀態。

治癌新手段：以更大的力度干擾腫瘤幹細胞

洛克菲勒大學大衛·洛克菲勒生物科學系博士元紹朋（Shaopeng Yuan）所在團隊的前期研究已經證明：位於腫瘤-間質界面的鱗狀細胞癌，產生於細胞群里的腫瘤幹細胞，它們不僅可以增強腫瘤的啟動能力，而且能夠抵抗化療和免疫治療。

但是，科學家們依然不太清楚的是：在人體健康組織的微環境中，腫瘤幹細胞是否可以調控惡性進程？如果可以，其機制是什麼？

為解決這一問題，元紹朋和同事利用實驗室此前建立的基因工程小鼠皮膚癌模型，在小鼠子宮內的個體皮膚幹細胞里，轉導誘導型反式激活因子和 TGBb-報告基因，然後通過激活 HRASG12V 驅動腫瘤發生，從而生成克隆性腫瘤。

結果發現，這些小鼠的皮膚腫瘤極具異質性，即兼具良性和惡性的浸潤區域。這說明在這些混合腫瘤中，包含大量的侵襲性細胞，可以增加對於化療和免疫治療的抵抗力。

接著，課題組改變研究策略，在 HRASG12V 激活後立即監測腫瘤發生，並在皮膚幹細胞從良性轉為惡性時對這一過程進行追蹤。

該團隊對於侵入性鱗狀細胞癌的基底層腫瘤幹細胞進行了單細胞 RNA 測序，隨後在接收 TGBb 信號的腫瘤基底幹細胞中，他們發現了此前未被重視的異質性。

對於這一特徵，課題組展開了追溯，並揭示了它出現在 HRASG12V 被激活之後的原因。他們發現如果組織幹細胞在腫瘤驅動基因中發生突變，組織幹細胞就能啟動一條前饋信號通路，從而觸發惡性腫瘤的自我傳播途徑。

接著，他們將這一改進後的腫瘤幹細胞特徵，與其他腫瘤幹細胞特徵加以區分。結果發現在腫瘤發生惡性轉變時，腫瘤微環境中脈管系統和 TGBb 信號通路出現了峰值。

有趣的是，此時被激活的 43 個鱗狀細胞癌幹細胞基因中，出現了膜受體 LEPR，它的配體瘦素由脂肪細胞產生，在正常情況下可以通過脈管系統攜帶到靶組織。

研究中，該團隊表明 LEPR 是 TGBb 信號傳導的直接靶標，它讓致癌基因 RAS 得以重塑腫瘤微環境，從而創造一場「完美風暴」，讓新興腫瘤幹細胞內的 LEPR 配體信號得到傳導。

反過來，這也會催化幹細胞中 PI3K-AKT-mTOR 信號的傳導。這說明腫瘤微環境驅動的級聯信號通路，對於驅動惡性腫瘤至關重要。

另據悉，LEPR 在乳腺等脂肪組織的癌症中過度表達，它與瘦素過度表達的肥胖小鼠模型中腫瘤發病率的增加有關。

截止目前，LEPR 在非肥胖、非脂肪組織環境中的作用尚未得到徹底的探索。但是，通過非瘦素上調的方式，肥胖會增加腫瘤的易感性，因此探索 LEPR 具有重要意義。

元紹朋表示：「這項研究的『美妙之處』在於，我們專注於研究單個致癌基因對於腫瘤微環境的影響，而不是研究如何通過其他方式引入腫瘤微環境的變化。」

概括來說，此次成果帶來了三個新概念：

其一，他們展示了致癌驅動因素 RAS 觸發前饋信號通路的原理。

其二，他們發現了此前未被重視的「完美風暴」，該「風暴」由幹細胞驅動。

藉助觸發血管生成的峰值，腫瘤微環境會得到進一步的重塑。反過來又會改變幹細胞的行為，從而在腫瘤幹細胞上表達新的膜受體，進而利用腫瘤微環境推動下游的癌症通路。

其三，他們為一種可以自我傳播的新型非遺傳信號級聯提供了功能證據，並表明其對於驅動惡性侵襲性癌症具有重要作用。

近日，相關論文以《Ras 通過幹細胞與微環境的串擾驅動惡性腫瘤》（Ras drives malignancy through stem cell crosstalk with the microenvironment）為題發在 Nature 上，元紹朋是第一作者，美國洛克菲勒大學哺乳動物細胞生物學和發育實驗室教授伊萊恩·福克斯（Elaine Fuchs）擔任通訊作者。

元紹朋表示，當腫瘤幹細胞與微環境處於「不正常的交流」時，TGBb 介導的瘦素受體信號激活、以及 PI3K-AKT-mTOR 軸的激活，都會導致良性腫瘤轉惡。

而腫瘤幹細胞是導致化學療法和免疫療法失敗的主要原因之一，因此如能同時阻斷這些不正常的腫瘤幹細胞信號，則能對化學療法和免疫療法中逃逸的幹細胞，起到強大的壓製作用。因此，在現有療法上增加腫瘤幹細胞的干擾療法，將是一個頗具前景的應用方向。

刷新人們對於腫瘤變化的理解

元紹朋說：「此次課題並不是我和導師最初定下的目標。一開始，我們的目標是上皮-間充質轉化。這是一個複雜的發育程序，癌細胞可以抑制它的上皮特徵，從而讓其轉為間充質特徵。」

這種變化帶來的作用是，能讓細胞獲得移動性，並能讓細胞具備從主站點遷移的能力。

但是，他們發現在鱗狀細胞癌良轉惡的過程中，只發生了一部分的上皮-間充質轉化，也就是並沒有完全失去上皮特徵。基於此，他們打算把研究目標調整為：分析良轉惡腫瘤的分子和細胞特徵。

通過病理學分析，他們發現在惡性腫瘤樣品中，有很多良性病變混雜其中。而在早期惡性腫瘤里，則會出現良性和惡性腫瘤細胞混合的信號。

此前，多數關於鱗狀細胞癌的文獻都顯示，很多腫瘤還停留在良性腫瘤階段、或者早期混合型的惡性腫瘤階段。

因此，該團隊決定從病理學角度進行定性分類，即針對完全良性的腫瘤、以及完全侵入性的惡性腫瘤進行深度分析，藉此發現了一些重要分子和細胞生物學特徵。

而當發現 LEPR 這一重要指標時，他們才意識到之前發現的血管生成、以及從免疫細胞而來 TGBb 的信號，都是「大棋局」中的一部分。

「研究進行到這裡，我們並未停下腳步，也希望了解上游信號的成因，所以我們對於正常幹細胞中、處於不同階段的腫瘤幹細胞，進行了表觀遺傳學分析。結果發現對於病理進程來說，它會和重要的轉錄因子一起出現在開放型染色質區域裡。」元紹朋說。

尤其值得注意的是，在正常的皮膚幹細胞里，LEPR 是一個完全不表達的基因。然而，隨著鱗狀細胞癌的進展，與 LEPR 相關的一個染色質區域也在慢慢開放。

研究中，課題組使用病毒載體，標記了腫瘤的侵入前線細胞。通過此他們發現，上游內部信號 Ras 所導致的轉錄因子可以打開染色質，而外部信號 TGBb 則能讓 Smad 蛋白進入開放染色質。

元紹朋說：「以前我們一般認為，外部細胞和癌症細胞只會在微環境進行交流和單循環。但是本次研究證明：當內外信號和幹細胞在癌症微環境裡交流時，也能產生腫瘤良轉惡的現象。而在此前認知中，人們一般認為只有出現大量基因變異時才會導致這種現象。」因此，該研究刷新了人們對於腫瘤進展的理解。

接下來，需要進一步了解瘦素受體如何在細胞信號學上達成上述作用。此前，神經科學和代謝科學的學者們已經發現，該受體的下游信號，尤其是 STAT3 信號，可以催生大量的通路激活。

但是，該團隊發現 STAT3 在良性腫瘤階段就已經激被活，而且不一定和 LEPR 有關。

為此，他們進行了大量的測序分析和通路分析，結果發現在小鼠模型中，瘦素受體藉助 PI3K-AKT 通路作用，讓病理進程發生了變化。

最後，課題組加了抑制劑的小鼠實驗，證明瘦素受體通過 TGBb-LEPR-PI3K-AKT-mTOR 通路，實現了腫瘤的良轉惡。

師從四院院士，7 年「長征」幸獲導師無條件支持

元紹朋表示：「研究中，我們使用 Smartseq2 進行了單細胞 RNA 測序。論文第二作者 Katie Steward 博士和我討論之後，我們決定放棄使用 10X scRNAseq，主要原因是瘦素受體的表達並不是很高。為了防止漏掉信號，我們選擇使用 SmartSeq2 技術。」

這也意味著，至少需要 1200 個細胞才能起作用。最初元紹朋並沒有在意，到了做實驗時才發覺大部分此類實驗只有 100-300 個細胞，而且還得手動操作實驗。

為此，他們只好準備 24 個 96 孔 PCR 盤，每天操作實驗兩個小時，直到三個月後才得到了scRNAseq 資料庫。

「很多同事都對我們如此苦力般的實驗露出了苦笑。S. Martina Parigi 博士是一個非常謹慎的人，經常對實驗結果『憂心忡忡』。她提議要對 PI3K 抑制劑腫瘤小鼠實驗進行雙盲設計。那陣子，她每天都通過食管給小鼠注入藥劑和安慰劑，而做腫瘤測量的我則在動物實驗室慢慢等待。」元紹朋說。

在如此嚴謹的實驗之下，他們證明了所提假設中的通路不僅重要，而且具備用於轉換醫學的潛力。

元紹朋繼續說道：「另一位論文作者 Merve Deniz Abdusselamoglu 博士負責了大量的免疫螢光實驗。但是，在編撰論文時她卻曾推辭共同作者，這種謙遜的態度非常少見。還有一位論文作者 Yihao Yang 是我的好友和合作夥伴，他不僅提供了專業的表面基因學分析，也對論文嚴謹性提供了支持。他經常一邊笑我作為生物學者卻不會用 Illustrator，一邊把替我把圖文處理得很漂亮。在此也向他們表示感謝。」