終於！科學家發現了常用一線化療葯紫杉醇促進癌症轉移背後的機制｜科學大發現

自上個世紀下葉被發現以來，紫杉醇（Paclitaxel，PTX）就一直是化療界的明星。因為其高度抗癌活性，紫杉醇目前已經被廣泛應用於卵巢癌、乳腺癌、肺癌等多種癌症的一線治療[1]。奇點糕還記得曾經有過新聞，紫杉醇的原料紅豆杉被百姓剝了樹皮泡酒，引為抗癌「神葯」（當然了，這是個錯誤的做法，直接服用紅豆杉可是會中毒的）。

不過，紫杉醇的作用也是把雙刃劍，在利用細胞毒性殺死癌細胞的同時，它也會增加癌細胞對化療劑的抗性並促進癌細胞轉移。在8月份的《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，來自俄亥俄州立大學生物化學與藥理學教授Tsonwin Hai團隊的一項研究為紫杉醇促進乳腺癌的肺轉移[2]提供了「實錘」。

Tsonwin Hai教授

研究結果揭示了兩個主要的機制：一是紫杉醇會改變原發腫瘤周邊血管的狀態，幫助乳腺癌細胞進入血循環；二是它還會在肺組織中「辛勤耕耘」，使肺組織微環境更適合癌細胞生存，促進癌細胞「生根發芽」。而這些有害影響，都要通過一個名為Atf3的基因來實現。

Atf3是一種應激快反應基因，正常情況下表達量非常低，當受到外界信號刺激，就會快速大量表達。表達產物Atf3蛋白是一種轉錄因子，能夠直接或間接調控很多參與炎症反應的基因的表達[3]。

那麼究竟科學家是怎麼證實紫杉醇的「叛變」行為的呢？

Hai教授和她的團隊在小鼠身上進行了試驗。他們對能夠發生自發轉移的乳腺癌模型小鼠注射了一定量的紫杉醇。比起對照組，注射了紫杉醇的實驗組小鼠原發腫瘤確實有縮小，但是轉移到肺部的癌細胞卻更多！研究者對敲除了Atf3基因的小鼠也做了同樣的實驗，結果卻並沒有什麼差別。這足以說明紫杉醇的這種促進癌症轉移的作用與Atf3基因有關了。

上：在第26天，不使用紫杉醇治療和使用紫杉醇治療以及敲除Atf3基因後不使用紫杉醇治療和使用紫杉醇治療的四種小鼠肺轉移腫瘤佔總肺部的面積

下：四種小鼠的肺部切片，深色部分為轉移瘤

為了搞清除紫杉醇和Atf3基因到底是怎麼使壞的，研究人員對這幾種腫瘤組織進行了檢測，發現用紫杉醇治療的小鼠腫瘤組織中微血管的密度特別高，而且一些能幫助腫瘤轉移和新血管生成的細胞（表達Tie2基因的單核巨噬細胞，TEMs）也增加了。他們還發現，和血管生成有關的一些基因表達量高（如Ang1，Notch1和Cxcl1），和抗血管生成有關的一些基因表達量低（如Cxcl9、10、11和14）。

另外，還有一個有意思的現象，乳腺癌細胞擴散需要通過三種細胞的直接接觸——內皮細胞、血管周圍巨噬細胞和增強癌細胞擴散能力的Mena蛋白水平高的癌細胞。過去的研究發現，這三種細胞在哪裡接觸，癌細胞就在哪裡進入血管，後來，這個「位點」被命名為腫瘤轉移微環境（tumor microenvironment of metastasis，TMEM）[4]。

所以，TMEM就相當於一扇門，當「三把鑰匙」聚齊時，癌細胞就可以打開門，進入血管中了。在這次的研究中，研究人員也發現，使用紫杉醇治療的小鼠TMEM密度明顯升高，這也說明，紫杉醇為癌細胞多造了幾扇門，幫助了它向肺部轉移。這和不久前發表在《科學轉化醫學》上的另一項研究「不謀而合」，他們在化療的癌症患者身上也發現了這個現象[5]。

所以這幾項指標的變化意味著，紫杉醇不光給癌細胞開拓了更多的「出走路線（微血管）」，還幫它們打開了脫離桎梏的「大門（TMEM）」。

以上這些結果都只出現在野生型小鼠上，敲除了Atf3基因的小鼠實驗組和對照組沒有明顯差異。這說明，紫杉醇的使用促進血管生長、增加癌細胞轉移微環境，這些影響都是通過Atf3基因實現的。

癌細胞通過TMEM進入血管

只關注原發腫瘤還不夠，研究人員又盯上了癌細胞轉移的目標組織——肺部。他們給用紫杉醇預處理過的小鼠靜脈注射癌細胞，最大程度地消除了紫杉醇對癌細胞的直接殺傷影響。

結果顯示，注射過紫杉醇的實驗組肺組織比對照組有更多的癌細胞定殖。對肺組織的檢測發現，實驗組中穿孔素（Prf1）表達下調，炎症性單核細胞（iMs）數量上升，趨化因子配體2（CCL2）表達上調。

Prf1是重要的溶菌蛋白之一，存在於細胞毒性T細胞和天然殺傷（NK）細胞中，有抑癌作用[6]；iMs可以進入肺中分化成巨噬細胞，促進腫瘤轉移[7]；而CCL2是一種小分子蛋白，可以促進炎症性單核細胞富集，增強炎症反應，對腫瘤發展起著重要作用[8]。

同樣，這些結果也只出現在野生型小鼠上。這說明，紫杉醇的使用改變了肺組織的微環境，使癌細胞更容易在肺組織上定殖，這些影響也是通過Atf3基因實現的。

那麼現在我們可以確定了，紫杉醇一方面促使腫瘤細胞從原發腫瘤逃離，一方面改變肺部微環境使之更適合腫瘤細胞定殖，而Atf3基因在其中起關鍵作用。

紫杉醇（PTX）對原發腫瘤和轉移組織的影響

要不是看到這些證據，奇點糕真是不願意相信，紫杉醇竟然助紂為虐！不過，這些在小鼠身上得到的實驗結果，是否適用於人類呢？

研究者們自然也考慮到了這一點。為了證實小鼠數據與人類癌症的相關性，他們從公開的腫瘤資料庫[9]中的樣本數據進行了分析。結果不出所料，在接受了化療的乳腺癌患者的腫瘤組織中，Atf3真的有更高的表達。相應的，患者也出現了高水平的CCL2、CCL7、CCL8等炎症指標以及低水平的Prf1、NK細胞和細胞毒性T細胞等。

在乳腺癌、肺癌、卵巢癌和結腸癌中，ATF3基因和TEK基因高表達（紅）和低表達（綠）對患者生存率的影響

這些分析結果與小鼠試驗的表徵是一致的，可見小鼠試驗結果的確能揭示紫杉醇在人體癌症轉移中起到的作用。

研究人員還使用其他株系的癌細胞替換了他們在這次實驗中所用的乳腺癌細胞，還嘗試用其他化療藥物如環磷醯胺（CTX）替換紫杉醇，甚至還使用不同種系的小鼠進行了實驗，結果無一例外。Atf3基因介導的化療劑對癌症肺轉移的促進作用不局限於單一化療藥物、單個癌種或單個試驗對象，這是一種在化療中普遍存在的現象。

鑒於早先有研究表明，全身化療後殘留的腫瘤與臨床上的不良預後有關[10]，那麼，這個研究可以說是對今後化療的使用很有臨床意義了。Hai教授表示，或許將來可以通過抑制Atf3基因的表達來解除化療的這個副作用，這也是他們的下一個研究目標。

不過這個研究也存在一些局限性：對小鼠的整體研究沒有辦法確定在不同類型細胞中Atf3基因的作用；而且除了血管轉移途徑之外，癌細胞也可以通過淋巴管轉移，Atf3基因對這條路線的影響還未可知等等。

「研究者應當隨時保持一個開闊的眼界。」Hai教授在一次採訪中如是說[11]。奇點糕想，科學或許就是在對前人的顛覆上不斷前行、不斷進步的吧。

參考資料：

[1] "Paclitaxel". The American Society of Health-System Pharmacists. Retrieved January 2, 2015.

[2] Yi Seok Chang, Swati P. Jalgaonkar, Justin D. Middleton, Tsonwin Hai.Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017; 201700455 DOI: 10.1073/pnas.1700455114.

[3] Corradini P, Ladetto M, Pileri A, Tarella C (1999) Clinical relevance of minimal residual disease monitoring in non-Hodgkin』s lymphomas: A critical reappraisal of molecular strategies. Leukemia 13:1691–1695.

[4] Harney AS, et al. (2015) Real-time imaging reveals local, transient vascular permeability, and tumor cell intravasation stimulated by TIE2hi macrophage-derived VEGFA. Cancer Discov5:932–943.

[5] George S. Karagiannis, Jessica M. Pastoriza, Yarong Wang et al. Neoadjuvant chemotherapy induces breast cancer metastasis through a TMEM-mediated mechanism. Science Translational Medicine, 05 Jul 2017, 9(397):eaan0026, doi:10.1126/scitranslmed.aan0026.

[6] Barry M, Bleackley RC (2002) Cytotoxic T lymphocytes: All roads lead to death. Nat Rev Immunol 2:401–409.

[7] Qian BZ, et al. (2011) CCL2 recruits inflammatory monocytes to facilitate breasttumour metastasis. Nature 475:222–225.

[8] Qian B, et al. (2009) A distinct macrophage population mediates metastatic breast

cancer cell extravasation, establishment and growth. PLoS One 4:e6562.

[9] Boersma BJ, et al. (2008) A stromal gene signature associated with inflammatory breast cancer. Int J Cancer 122:1324–1332.

[10] Symmans WF, et al. (2017) Long-term prognostic risk after neoadjuvant chemotherapy associated with residual cancer burden and breast cancer subtype. J Clin Oncol 35: 1049–1060.

[11] https://www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170807155401.html

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