肿瘤抗药类器官模型揭示肿瘤抗药细胞具有胚胎滞育样新特性

撰文 | 阿呜
责编 | Qi

在癌症治疗过程中，常常会采用诸如化疗药物等攻击性疗法来快速杀死肿瘤细胞。这些治疗方法可以快速消退肿瘤，延长癌症患者的生存期，但通常无法完全根除肿瘤细胞。在治疗后仍然会有少量的癌细胞残留在患者体内，这些残留的肿瘤细胞就像是“种子”一样，能够在体内存留很长时间，并最终导致病人肿瘤的复发（图1）。这些在经过抗癌药物治疗后残留的肿瘤细胞被称为肿瘤抗药细胞（Persistent cancer cell）【1】或者微小残留病灶（MRD，在血液癌和黑色素瘤中肿瘤抗药细胞更多被称为MRD【2】）。

图1. 肿瘤在抗癌药物的治疗下，大部分肿瘤细胞将被杀伤，但一部分残留的抗药细胞能在体内维持很长时间，并最终导致肿瘤复发。

肿瘤抗药细胞具有增殖缓慢、细胞代谢功能可塑性高、对肿瘤微环境的高适应性和表型可塑性高等特征【1】。这些肿瘤抗药细胞在机体内犹如一颗定时炸弹，可能随时会导致癌症复发进而加重患者病情。但由于缺乏模拟这种肿瘤细胞状态的可靠的临床前肿瘤学模型，阻碍了针对这些肿瘤抗药细胞的新疗法的发展。因此，开发可靠的临床前肿瘤抗药细胞模型、进一步研究肿瘤抗药细胞的特性和寻找临床治疗新策略具有重要意义。

近日，来自美国哈佛大学医学院、丹娜-法伯肿瘤研究所的Constantine Mitsiades团队在Cancer Cell杂志上发表了题为“ An Embryonic Diapause-like Adaptation with Suppressed Myc Activity Enables Tumor Treatment Persistence ”的研究文章。该文章通过三维（3D）培养类器官和体内肿瘤模型重现了临床病人残留病灶的表型，并揭示了在化疗药物治疗后的肿瘤抗药细胞具有胚胎滞育样的新分子特性。

研究人员发现传统的二维细胞培养很难得到和模拟肿瘤抗药细胞模型，因此他们利用了3D培养的方式将肿瘤细胞系和病人来源的癌细胞样品培养成类器官（organoids），并用此类器官进行药物处理来模拟肿瘤抗药细胞模型。研究人员发现3D培养的类器官在不同细胞毒性化疗药物处理后能够得到20%左右的肿瘤抗药类器官细胞（TP-organoids）。这些TP-organoids和患者体内的肿瘤细胞在治疗后一样会进入休眠状态，并暂停生物合成和代谢活动，从而继续生存。紧接着，他们用病人来源肿瘤异种移植模型（PDX）进行了验证，发现了类似结果。作者通过单细胞RNA测序发现TP-organoids与PDX 肿瘤抗药细胞和临床病人肿瘤抗药细胞的转录表达谱具有高度一致性，表明了3D培养的TP-organoids模型是一个可行的临床前肿瘤抗药细胞模型。

接着，研究人员对TP-organoids模型进行了进一步分析。他们首先将3D培养的TP-organoids进行二维培养，发现这些细胞会丢失抗药性。其次，通过DNA barcode示踪实验发现，TP-organoids并不能富集barcode标记的肿瘤细胞克隆。这些实验结果表明了TP-organoids与肿瘤抗药细胞一样，其抗药性并非由药物筛选获得，同时并不具有新的二次突变基因。通过对TP-organoids、PDX 肿瘤抗药细胞和临床病人肿瘤抗药细胞的转录表达谱分析，他们发现癌细胞对药物处理的这种适应作用是通过抑制Myc的活性来实现的。Myc是正常细胞和癌细胞中生物合成和代谢的主要调节因子。作者指出癌细胞使用的这种适应性生存机制类似于动物的胚胎滞育机制。滞育是指某些动物物种处于休眠状态或不利生存条件下会暂停正常的胚胎发育，并且只有在消除压力因素后才会恢复的现象【3】。

最后，研究人员使用了这种滞育样癌细胞状态的临床前肿瘤模型TP-organoids测试数百种治疗候选药物的功效，这些候选药物包括了很多美国药监局（FDA）批准的化疗和靶向药物。他们发现能够逆转这种滞育样状态的药物分子也可以使这些细胞对化疗重新敏感。具体来说，研究人员发现靶向转录调节因子CDK9的抑制剂能够抑制TP-organoids的生物合成和代谢，逆转Myc活性抑制引起的滞育样细胞状态，从而增强化疗效果。这些实验也证明了这种滞育样癌细胞状态的临床前肿瘤模型可以用来大规模药物筛选的可行性。

自2010年哈佛大学Jeff Settleman团队在非小细胞肺癌模型里第一次发现肿瘤抗药细胞，并提出该类细胞在肿瘤进化耐药方面的重要作用【4】以来，不同实验室在不同的肿瘤模型上逐步揭示了该类细胞的特征、作用及潜在的治疗新策略，包括Jean-Christophe Marine团队通过PDX 模型揭示了RXR信号在黑色素瘤微小残留病灶中的作用【5】、Kris Wood 团队利用CRISPRi筛选提出化疗诱导进化陷阱（Evolutionary Trap）的治疗策略【6】等等。而本文的作者则利用了3D培养的方式将肿瘤细胞系和病人来源的癌细胞样品培养成类器官（organoids）的模型，模拟了患者治疗后的肿瘤抗药细胞，提出了肿瘤抗药细胞具有类似于动物胚胎滞育现象的适应性生存的耐药新机制，并通过大规模的药物筛选找到了CDK9作为潜在的肿瘤抗药细胞治疗新靶点，为今后研究肿瘤抗药细胞耐药的作用和机制以及寻找治疗新策略提供了新思路。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.ccell.2020.12.002

参考文献

1.Shen, S., Vagner, S. & Robert, C. Persistent Cancer Cells: The Deadly Survivors. Cell 183, 860-874, doi:10.1016/j.Cell.2020.10.027 (2020).

2.Luskin, M. R., Murakami, M. A., Manalis, S. R. & Weinstock, D. M. Targeting minimal residual disease: a path to cure? Nat Rev Cancer 18, 255-263, doi:10.1038/nrc.2017.125 (2018).

3.Renfree, M. B. & Fenelon, J. C. The enigma of embryonic diapause.Development 144, 3199-3210, doi:10.1242/dev.148213 (2017).

4.Sharma, S. V. et al. A chromatin-mediated reversible drug-tolerant state in cancer cell subpopulations. Cell 141, 69-80, doi:10.1016/j.cell.2010.02.027 (2010).

5.Rambow, F. et al. Toward Minimal Residual Disease-Directed Therapy in Melanoma. Cell 174, 843-855 e819, doi:10.1016/j.Cell.2018.06.025 (2018).