Cell | 结直肠癌细胞如何躲避化疗？

　　撰文 | Qi

　　责编 | 兮

　　越来越多的证据表明非遗传过程会导致药物耐受，而这是癌症治疗的主要障碍。癌细胞可以进入可逆的药物耐受持久性（drug-tolerant persister,DTP）状态以逃避化疗和靶向药物攻击，这也许是导致治疗失败和肿瘤复发的重要因素。因此，在经典的不可逆遗传突变驱动的耐药性产生之前，DTPs可能代表了潜在的治疗机会。DTP状态以静止或缓慢增殖的癌细胞为特征，通常代表亲代肿瘤的一个小亚群（0.3%–5%）。在癌症背景下，DTPs代表了肿瘤在“药物假日（drug holiday）”后，会恢复生长和增殖但仍对化疗敏感的可逆状态。先前的一项开创性研究确定了癌细胞系中的DTPs，并证明通过使用胰岛素生长因子1受体（IGF-1R）抑制剂或染色质修饰剂治疗，可以在体外选择性地清除这种药物耐受亚群。其他研究也证明了抑制应激诱导的长间隔重复元件1（LINE-1）表达在驱动DTP状态以及DTP对脂质过氧化氢酶GPX4的依赖性中的作用【1,2】。然而，关于能够产生DTP的癌细胞亚群以及在体内驱动DTP状态的关键机制尚未可知。

　　鉴于DTP代表了一种能够帮助癌细胞在化疗造成的恶劣环境中得以幸存的非遗传可逆状态，不得不质疑肿瘤是否秉持了一种进化上保守的生存策略？生物体在恶劣环境中生存所采用的保守生存策略数量有限，且大多数在动物界中都是保守的，例如滞育（diapause）。滞育被定义为由不利环境条件引发的胚胎发育暂停的可逆状态【3】，是一种生理繁衍策略。滞育没有特定的细胞选择，而是胚胎中的每一个细胞都可逆地进入这种状态，当环境损伤消除时，胚胎恢复正常发育。那么，癌细胞是否也采取了这种“保命”策略？

　　近日，来自加拿大University Health Network公司的Catherine A. O’Brien团队，多伦多大学的Jason Moffat团队和Sidhartha Goyal团队以及来自西奈山医院的Miguel Ramalho-Santos团队在Cell杂志上合作发表了一篇题为“Colorectal Cancer Cells Enter a Diapause-like DTP State to Survive Chemotherapy”的文章，在这项研究中，作者将来自癌症个体的结直肠癌模型中提取的细胞条形码和数学模型相结合，以识别和表征化疗反应中的DTPs。作者确定了DTPs在转录和功能上与滞育有显著的相似性，并揭示了癌细胞是如何利用一种发育保守的机制来驱动DTP状态的，指出了靶向DTP的新的治疗机会。

　　首先，为了研究体内DTPs，作者使用免疫缺陷小鼠中两个来自结直肠癌（colorectal cancer, CRC）个体的样本确定了标准化疗对异种移植瘤生长的影响。值得注意的是，对于两个CRC样本，当停止CPT-11或FOLFIRI治疗（伊立替康、亚叶酸钙、5-氟尿嘧啶，常规化疗方案）时，肿瘤恢复生长。为了确定用CPT-11或FOLFIRI治疗的CRC细胞在治疗停止和肿瘤再生后是否仍然敏感，作者从再生肿瘤中获取肿瘤细胞并将其注射到新小鼠中，随后用CPT-11治疗，结果显示所有肿瘤在再次暴露后对CPT-11仍然保持敏感，且在治疗期间再次显示生长停滞。因此，肿瘤对CPT-11和FOLFIRI的反应与进入可逆DTP状态的癌细胞表现一致。紧接着，作者通过全外显子组测序对POP66亲本肿瘤（P0）、第一代异种移植物（G0）和CPT-11再生异种移植物进行分析，CPT-11治疗的经历DTP状态的肿瘤没有表现出遗传异质性的丧失，联系它们对CPT-11的药物敏感性仍然存在，这与药物耐受的非遗传机制保持一致。

　　图1，两种CRC患者来源的异种移植（patient-derived xenografts, PDX）模型（POP66和CSC28）的体内治疗示意图

　　接下来，为了探索体内DTP状态的克隆动力学，作者采用条形码策略来跟踪肿瘤内的单个细胞【4】，以比较对照组和治疗组之间的条形码组成，包括诱导DTP状态的治疗方案（CPT-11，FOLFIRI）和未诱导DTP状态的治疗方案（5-FU/LV，OXA，FOLFOX）。出乎意料的是，在体内经历DTP状态的CRC细胞中，没有观察到条形码复杂性的显著损失，未经历DTP状态的细胞中也没有显示条形码复杂性的任何变化。条形码实验结果出乎意料，因为基于治疗期间肿瘤体积显著减小，预期肿瘤在经历DTP状态后重新生长后条形码复杂性也会降低。紧接着，作者使用克隆大小分布数学模型准确地捕捉了实验观察到的克隆动态学，模型表明肿瘤细胞具有形成DTPs的等势能力，并且这种对等性从癌细胞进入DTP状态延伸至以随机方式退出DTP状态的过程。

　　那么，CPT-11诱导癌细胞进入DTP状态的机制是什么呢？作者通过RNA-seq发现，DTPs中有1165个基因上调，928个基因下调，且在代谢、细胞周期调节、翻译和RNA加工中发挥作用的基因在DTPs下调的基因集中高度富集。不同肿瘤细胞进入DTP状态的均等能力促使我们思考肿瘤细胞是否采用进化保守机制以获得在暴露于化疗的恶劣环境中生存的能力？先前已经证明，mTOR抑制在小鼠囊胚和胚胎干细胞中诱导可逆的多能干细胞状态，这是在不利的环境条件下短暂发育停滞的自然现象。作者将对照组、经历DTP状态组和CPT-11处理的再生肿瘤的转录组与先前公布的暂停ESC和体内滞育胚胎的基因表达数据进行比较，发现DTP与两种模型具有显著的相似性。这些相似性通过分析与胚胎滞育相关的特定信号通路的表达特征得到进一步证实，其中DTP表达的mTOR和Myc反应模块水平显著降低。此外，DTP中滞育相关的自噬基因表达水平也有所增加，包括ULK1/ATG1。因此，这些数据提示CPT-11诱导的DTP处于可逆状态，与胚胎滞育具有广泛的转录相似性。

　　有趣的是，来自多种肿瘤类型，包括急性淋巴母细胞白血病、前列腺癌和黑色素瘤的动物模型和个体的微小残留病（minimal residual disease, MRD）转录组也与胚胎暂停信号显著相关，这提示胚胎暂停信号或许可以识别MRD。鉴于DTP在介导治疗结局和肿瘤复发中的潜在作用，作者研究了本项研究中定义的滞育样DTP状态是否能在TCGA结直肠癌患者队列中提供预后分层。作者将来自大肠癌患者的样本分为两组，定义为具有“高”或“低”胚胎暂停信号。Kaplan-Meier分析表明，高特征分数的个体比低特征分数的个体的总体生存率显著降低。此外，作者分析了这个CRC-TCGA数据集的自噬特征。Kaplan-Meier分析显示，与自噬分数较低的结直肠癌患者相比，自噬分数较高的结直肠癌患者的总生存率明显较差。将分析扩展到TCGA的各种癌症中可以发现，对于指定的癌症队列，高自噬特征对应于低总体生存率。这些数据表明，具有高滞育或自噬评分的患者具备对药物治疗耐受的肿瘤细胞。因此，这种信号提供了一种识别难治性疾病个体的方法，并揭示了针对导致复发的滞育样DTP状态的创新治疗干预策略。

　　总的来说，作者发现DTPs激活了一个发育上保守的程序以保证肿瘤细胞能在化疗营造的恶劣环境中得以生存，理解这一机制将是设计针对这种状态的治疗方法的关键。癌症背景下的滞育样DTP状态的未来研究应包括针对标准化疗和靶向药物开发可靠的PDX临床前DTP模型，以及同基因模型，以扩展人们对免疫系统如何影响免疫系统的认识。靶向滞育样DTP状态对于制定旨在消除可能处于最脆弱状态的癌细胞的治疗策略而言至关重要。

　　https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.018

　　制版人：嘉

　　参考文献

　　1, Recasens,A and Munoz, L. (2019). Targeting Cancer Cell Dormancy.Trends Pharmacol.Sci. 40, 128–141.

　　2, Guler, G.D.,Tindell, C.A., Pitti, R., Wilson, C., Nichols, K., KaiWai Cheung, T., Kim,H.J., Wongchenko, M., Yan, Y., Haley, B., et al. (2017). Repression ofStress-Induced LINE-1 Expression Protects Cancer Cell Subpopulations fromLethal Drug Exposure.Cancer Cell32, 221–237.e13.

　　3, Deng, L.,Li, C., Chen, L., Liu, Y., Hou, R., and Zhou, X. (2018). Research advances onembryonic diapause in mammals.Anim. Reprod. Sci. 198, 1–10.

　　4, Bhang, H.E.,Ruddy, D.A., Krishnamurthy Radhakrishna, V., Caushi, J.X., Zhao, R., Hims,M.M., Singh, A.P., Kao, I., Rakiec, D., Shaw, P., et al. (2015). Studyingclonal dynamics in response to cancer therapy using highcomplexity barcoding.Nat. Med. 21, 440–448.