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【转发】Nature:癌症的三大谜团

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licheng 发表于 2015-12-23 16:37:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
Nature:癌症的三大谜团
生物谷   2014/06/09


癌症三大谜分别是药物耐受、肿瘤转移和非肿瘤组织的作用。这是最近《NatureOutlook》中关于肿瘤研究面临的三大困境。

一、耐药问题

1996年,纽约斯隆凯特琳纪念癌症中心临床肿瘤学家CharlesSawyers主持一个针对癌细胞特异性基因突变的药物早期临床实验,这个药物的是imatinib(格列卫),治疗的疾病是慢性淋巴细胞白血病。Sawyers的这次临床研究发现,这种药物治疗的效果非常理想。但不幸的是,一旦对这一药物产生耐受,肿瘤细胞再次卷土重来。

格列卫的情况给肿瘤学家一头雾水,格列卫是瑞士诺华公司的产品,是目前市场上最有潜力的个性化肿瘤治疗药物。通过确定疾病基因突变原因,并设计出针对性药物,这算是医药技术上的一次革命。针对对该药物的耐受,医药公司已经开发出两个后续药物。

不过只针对基因突变治疗肿瘤不是一个通用模式,因为很少比例的恶性肿瘤象白血病的原因那么简单。事实证明,格列卫只是一种意外惊喜,这种策略只能针对少数肿瘤有效果。

现在生物学家对恶性肿瘤比10年前了解的要多很多。已经发现500个基因突变和恶性肿瘤发生有关,而且这个数字正在不断增加。针对基因突变已经获准上市的肿瘤治疗药物大约有100种,已经和手术切除和放射治疗一起成为治疗癌症的三种主要方法。这种新的治疗方法已经取得了比较理想的效果,恶性肿瘤死亡率增加趋势在一些地区已经受到一定程度的遏制。

大约50%的恶性肿瘤能通过改善生活饮食习惯和运动预防,戒烟和减少环境污染也十分重要。为控制恶性肿瘤,科学家必须对一些基本的科学问题进行回答。其中第一个问题就是如何对付癌细胞的耐药问题。为克服癌细胞耐药问题,科学家正在研究癌细胞基因组,提出新的药物设计方案,利用联合用药的办法,甚至从达尔文的进化论中寻找解决问题的智慧。

英国肿瘤研究院肿瘤学家Paul Workman说,从进化论的角度看,肿瘤就是一个生态系统,存在各种各样基因突变的细胞类型。药物治疗就是给这些复杂的肿瘤细胞种群比较强烈的环境选择压力。按照达尔文进化论的观点,许多肿瘤细胞死亡,部分细胞利用各种生存策略存活下来,这就是所谓适者生存,能存活下来的肿瘤细胞自然获得耐受药物的能力。肿瘤细胞耐受药物的策略有很多,例如产生能将药物排出细胞外的蛋白泵、加快DNA修复效率、或使用备用分子通路取代被药物阻断的细胞功能。英国肿瘤研究院肿瘤学家Charles Swanton认为,许多针对基因突变的一些肿瘤治疗药物本身也往往具有促进肿瘤发生的作用。

全面了解肿瘤细胞的基因多样性,也许能帮助科学家找到对付药物耐受的方法。因此,Swanton等科学家正在寻找更快更便宜的DNA测序技术。从目前掌握的数据看,肿瘤细胞似乎存在一组共同的基因突变类型。Swanton将这种现象称为肿瘤干tumour's'trunk'。不同肿瘤细胞亚群也存在各自独特的一组基因突变,Swanton将这种现象称为肿瘤枝'branches'。目前的治疗只是砍掉肿瘤枝,而不顾其他肿瘤枝,这些被忽视的肿瘤枝会再次增生。

科学家现在正尝试研究肿瘤进化。例如Swanton参加的TRACERx(Tracking Cancer Evolution through Therapy),就是对850名新确诊肺癌患者进行观察。分别在治疗前后对肺癌组织进行多部位采集样本,然后对这些组织进行全基因序列分析。通过对比分析出和药物耐受相关的基因突变。这种研究或者能帮助遗传学家写出"癌症进化手册"这样的文章,通过这种研究或许能不需要基因序列测定就可以预测肿瘤进化方向,以协助提前调整治疗方案。

一些科学家担心,基因变化不能提供肿瘤差异性和药物耐受的全部信息,除基因突变以外,肿瘤也可以通过基因表达调控达到耐受药物的目的。哈佛大学医学院细胞生物学家JoanBrugge就是这样认为。

不过在没有完全弄清楚肿瘤耐药的具体机制前,科学家仍试图寻找解决药物耐受的问题。例如采用几种药物联合的策略减少肿瘤进化的可能(围剿战术)。这种方法的灵感是来自爱滋病治疗的鸡尾酒疗法(不如说中医理念)。和肿瘤细胞一样,爱滋病病毒也具有基因多样性和快速进化的特征。但是采用正确的鸡尾酒疗法已经能将这种人间瘟疫进行控制,实现了使患者长期带毒生存的目的。和爱滋病相比,癌症的情况更为复杂。爱滋病病毒只有7个基因,而人类基因组有2万个基因,这让肿瘤的复杂性远超过爱滋病病毒。科学家已经提出了一些聪明的联合治疗方案,并在验证其实际治疗效果。

美国癌症研究院癌症诊断和治疗负责人James Doroshow相信这种联合治疗方法应该非常可行。美国癌症研究院已经对5000种抗癌药物进行不同组合验证对60种癌细胞的效果,将对其中效果理想的联合方案开展小鼠毒性试验,这些结果目前还没有公开发表,但,Doroshow说一些新的意想不到的联合方案将展示给世人。

Workman小组采用基因网络计算机模型对数千种可能药物组合和基因进行配对,寻找理想的药物配方。他认为,虽然药物联合治疗是目前控制药物耐受唯一可行的策略。但是开发新药物仍也十分必要。他估计,只有可怜的5%已知癌症基因有相应药物,另外95%的癌症基因并没有特异性药物,只有5%的子弹,如何消灭100%的敌人?联合治疗的基础现在仍不够坚实。

更严峻的挑战是,一些癌基因突变是通过沉默抑癌基因表达,相对于阻断存在的分子,怎么对这种不表达的基因进行激活是比较困难的技术。许多肿瘤相关蛋白的结构目前仍不清楚,在没有弄清楚分子结构前,化学家很难提出解决问题的方案。另外,还有许多未知肿瘤相关蛋白没有被发现,这就更没有解决的可能了。

二、肿瘤微环境

恶性肿瘤发生的重要方式是基因突变。一方面,大多数促进肿瘤发生的物理化学因素都能诱发基因突变,另一方面,确实有许多恶性肿瘤明确存在基因突变问题。但是恶性肿瘤的复杂性之一是恶性肿瘤周围正常组织对肿瘤的发生发展也具有协助作用,这不仅挑战人们对恶性肿瘤发生原因的理解,也给人们控制恶性肿瘤带来了困惑和麻烦。

劳伦斯伯克利国家实验室生物工程学家MinaBissell主要研究分布在肿瘤周围的无肿瘤组织,这些组织被称为肿瘤微环境,这一领域过去一直被药物研究领域忽视。来自肿瘤微环境的信号能将限制存在恶性突变的细胞恶性变,甚至放在这样的微环境中癌细胞也能转化为良性。

麻省理工学院科赫癌症综合研究所JacquelineLees也认为肿瘤微环境十分重要,只考虑直接杀伤癌细胞,而忽视造成细胞癌变的肿瘤微环境是不全面的,肿瘤和非肿瘤细胞,肿瘤和免疫系统之间存在相互作用,没有来自周围组织细胞微环境的支持,肿瘤并不能单独生存,而传统的药物研究完全忽视这一问题。

Lees目前正在研究癌症休眠现象。肿瘤休眠最早于1864年提出,于1959年被定义,指在原发肿瘤切除后很长时间才发生全身或局部的肿瘤复发。"很长时间"指超出了低复发的时间,所以与肿瘤复发不能混为一谈。令人感到兴奋的是,处于肿瘤休眠的患者,如同处于慢性疾病患者疾病完全控制的状态,没有临床症状和体征。经乳腺切除后处于临床无病状态的乳腺癌患者中20%7年~25年间复发,其中术后10年~20年的复发率稳定在1.5%左右。临床癌症休眠还常见于甲状腺癌、肾癌、前列腺癌以及B细胞淋巴瘤和黑色素瘤,而肺癌和结肠癌很少出现这种现象。直到近20年一些新的研究发现才引起了人们对肿瘤休眠现象的关注。Lees正在研究为什么会发生这种现象。

处于休眠状态的肿瘤细胞对化疗不敏感,因为这些治疗方法是针对细胞增殖过程,休眠状态的肿瘤细胞并不进入正常的细胞增殖分裂周期。是什么来自微环境中的信号唤醒了这些细胞?Lees说炎症是关键因素,炎症是激活免疫系统的信号,手术和许多肿瘤治疗方法都能通过炎症信号唤醒休眠的肿瘤细胞。这种从休眠到激活的转变大约需要48小时,在这期间,休眠的肿瘤细胞需要从周围正常细胞获得支持。如果选择合适的药物阻断这一过程,那么就可以减少这种肿瘤复活的情况。这类药物应该在化疗前给予,以减少化疗唤醒休眠肿瘤细胞的可能。

也可以通过调节免疫系统达到同样的目的,肿瘤细胞拥有多种方法逃避免疫系统的剿灭,例如表达一些能灭活重要抗肿瘤细胞的受体。最近几年,科学家设计出能阻断这些受体的药物,已经获得令人满意临床研究结果。这类药物被称为免疫检查点抑制剂,能够增强免疫系统对抗恶性肿瘤活性。

但是这种药物并不能对所有患者有效,科学家也不清楚具体原因。对这样的肿瘤患者,联合多种药物或者能延长患者生存时间。

Lees也同意这种看法,治疗恶性肿瘤必须采用多种策略,传统的治疗方法、免疫系统激活以及阻断正常组织和肿瘤细胞相互联系等方法联合使用才能取得比较理想的效果。

三、肿瘤转移

导致恶性肿瘤患者死亡的最重要原因是肿瘤转移。流行病学调查表明,90%的肿瘤患者死于肿瘤转移。肿瘤转移的情况比较复杂,有的很快发生,有的很慢,甚至有时候在患者被确定治愈10年后再发生转移。因此深入理解肿瘤转移的机制将有利于寻找预防患者死亡的方法。

马萨诸塞州怀特海德生物医学研究所肿瘤生物学家RobertWeinberg认为,肿瘤开始转移的过程已经逐渐被认识。肿瘤生长过程一些细胞很活跃,能进入血液循环。进入血液循环的肿瘤细胞能在其他组织器官定居并形成新瘤体。这一过程最神秘的是这些细胞如何适应并在新环境生存下来。例如,脑组织和骨髓组织是和乳腺组织完全不同的组织类型,但肿瘤组织竟然能在这里生根发芽。这些组织的葡萄糖、氧浓度、酸硷度等都可能和原发组织有很大不同。在原发组织,肿瘤细胞可以获得生长因子、蛋白信号等支持性信息,转移瘤细胞如何获得这些支撑?Weinberg推测这种适应能力主要依靠基因表达调节,而不是基因突变。更不可思议的是,这些转移的肿瘤细胞在到达和开始增殖之间的过程。肿瘤细胞可以在转移目的地保持长达10多年和周围组织和平共处。德国汉堡艾本德大学肿瘤生物学家Klaus Pantel说,在这些组织中存在阻止这些肿瘤细胞增殖分化的因素,当出现合适条件时,这些细胞重新激活(不就是休眠状态)。

这些信号目前都不清楚,也没有太多学者研究这个问题。Chambers说,肿瘤休眠的研究比较枯燥棘手,就好象观察一面没有图象的白墙,科学家不喜欢研究没有变化的东东。

肿瘤转移的研究还存在其他一些困难。转移瘤一旦被识别,患者的身体状况往往比较差,采集活体标本比较困难,切除肿瘤的价值也往往比较小,这也是转移瘤研究的困难之一。转移瘤往往都比较小,难以用常规临床显像技术识别。即使人们开发出针对肿瘤转移的药物,当前的临床研究模式也难以确定其治疗效果。临床研究趋向于招募晚期或已发生转移的肿瘤患者,对这种患者,控制转移的策略已经完全失去意义,也不可能获得有效性结果。

为治疗已经发生转移的肿瘤患者,必须弄清楚肿瘤转移的机制。首先,科学家必须明白肿瘤组织中那些细胞是能转移的,这些细胞和其他肿瘤细胞的特征存在那些区别。

Brugge已经开发出一种识别肿瘤起源细胞的方法,她的小组从一个原发肿瘤标本中分离到100个肿瘤细胞,然后克隆这些细胞并对每个克隆进行基因序列测定和标记。然后他们将这些细胞注射到小鼠身上,那些具有转移特性的细胞将会生长出肿瘤,一旦这些细胞在动物身体内形成肿瘤,将这些肿瘤切下来,根据基因特征确定是那些细胞,然后对那些正在培养的这种细胞和那些不具有转移能力的细胞进行对比研究,以确定出转移肿瘤细胞和非转移肿瘤细胞的差异特征。

另外一种方法是从患者血液中分离肿瘤细胞,这些在血液循环中的癌细胞可能存在肿瘤转移能力的秘密,因为这些细胞中必然存在那些能转移的细胞。分离到这些肿瘤细胞后,可以用测序、成像和基因表达分析等方法进行研究,和原发肿瘤细胞进行对比获得转移肿瘤的特征。

虽然关于肿瘤生物学的信息仍不够精确全面,但是新的技术能帮助科学家获得这些信息。快速基因组序列分析和生物信息学技术能帮助预测具有药物耐受的肿瘤细胞类型,并协助制定联合治疗的方案。科学家已经建立了肿瘤细胞和正常组织之间相互作用的新模型,转移细胞也能在转移前被识别出来。尽管前途充满艰辛,但科学家仍对克服癌症报乐观主义看法,毕竟在过去想都不敢想的许多问题现在都已经被提出和克服。

原文检索:

Katherine Bourzac. Biology:Three known unknowns. Nature,28 May 2014; doi:10.1038/509S69a



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