一個多世紀以來，臨床醫生和科學家們大多將治療癌症的重點放在了癌細胞本身，例如利用各種藥物來誘導癌細胞凋亡、抑制癌細胞的增殖和遷移。然而近年大量研究表明，腫瘤微環境在癌細胞增殖、擴散、轉移以及對多種療法的耐受性等方面也扮演著重要角色，那麼這種所謂的腫瘤微環境到底是如何促進癌症發展的呢？
正如種子生長需要營養和水分充足的土壤一樣，癌細胞要依賴於周圍的環境才能在體內無限增殖。日前，中國科學院上海生命科學研究院孫宇課題組發現臨床治療過程中微環境內出現大量衰老細胞，後者成為持續性產生多種炎性因子的主要根源，其中一種名為SPINK1（serine protease inhibitor Kazal type I）的可溶蛋白通過基質細胞高度合成與胞外釋放，源源不斷進入受損的微環境空間，改變殘存癌細胞表型並促進其獲得耐藥性，從而導致臨床治療抵抗。同時，外周血液中SPINK1含量的動態變化，同患者生存密切相關，可以作為將來臨床預後與療效評價的精確指標。相關研究結果以Targeting SPINK1 in the damaged tumour microenvironment alleviates therapeutic resistance為題發表在Nature Communications上。
癌症是導致人類死亡的一種重要疾病。癌細胞易對化療藥物和靶向藥物等多種治療方式產生不同程度的抵抗，因此尋找治療失敗的本質原因、開發新的治療策略有著非常重要的意義。然而，即便目前全球較為流行、前景相當不錯的免疫療法，也僅僅對於一部分患者有效，實際情形是大約只有20%到40%的患者能對這類藥物作出反應，而人們至今仍不清楚其中的緣由。這種技術性瓶頸，嚴重降低了臨床治療的成功率，更是阻礙現代醫學發展的一個主要障礙。孫宇團隊圍繞腫瘤微環境和細胞衰老研究等方面的近期發現，為解釋抗癌治療效果不佳等實際問題給出了部分答案。
在這一工作中，研究人員首先根據全轉錄組數據深度分析，發現微環境中的基質細胞在經過放化療等手段處理之後並不直接出現類似癌細胞的典型凋亡特徵，而是隨即進入另外一種狀態，即細胞衰老。伴隨這一變化的，則是以大量生成促炎因子為主要特點的衰老相關分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP） 【1-3】（
中國學者揭示細胞被動衰老以及衰老相關分泌表型調控新機制
）。儘管人們對於SASP表達譜中大多數因子的生物功能和病理影響已經清楚，但個別分子在腫瘤進展中的意義仍屬未知。其中表達幅度較為突出的SPINK1 （serine protease inhibitor Kazal-type I，又名PSTI或TATI）是一種絲氨酸肽酶抑制因子。過往研究表明，SPINK1在人體中主要是抑制胰腺蛋白酶原的成熟性激活和隨後酶活性的釋放，而該因子的突變可以造成慢性胰腺炎，並向胰腺癌過度 【4】。
在前列腺癌患者中，SPINK1的表達與ETS gene fusion為相互排斥事件。SPINK1在癌細胞中的表達水平同患者臨床預後呈顯著負相關。SPINK1作為outlier的表達可以作為前列腺切除手術之後患者biochemical recurrence的一個獨立預測因子 【5，6】。雖然這一現象被美國University of Michigan的Arul Chinnaiyan的研究小組發現於大約十年前，該實驗室後來也進行了一系列的深入研究，但仍然集中於前列腺癌上皮細胞，並未考慮來自微環境的影響。
相比之下，孫宇團隊的數據表明，大多數造成DNA damage的藥物包括電離輻射本身均能誘導SPINK1在人源基質細胞中大幅上調。胞內合成的同時，SPINK1被大量外泌並進入胞外液。更重要的是，SPINK1在基質細胞中的表達規律，同其它的典型SASP外泌因子具有高度相似性，即藥物處理之後的7-10天逐漸進入一個平臺期，並同細胞衰老的生化特徵相互對應，此後便並長期保持活躍合成與高度外泌。相比於基質細胞，相同組織來源的上皮細胞，則呈現出較弱的藥物損傷誘導性，無論轉錄還是蛋白水平都十分有限。
這種來源於組織微環境的SPINK1，究竟有何重要意義？研究人員隨後對常見的實體瘤進行了分析。在一個前列腺癌臨床隊列中，他們發現化療後階段的患者體內出現了明顯的SPINK1蛋白，這與化療前時期形成鮮明對比。更為重要的在於，SPINK1蛋白在病灶中的表達，集中體現於腺體周邊的基質組織，而非人們平時最關注的腺體中的上皮癌細胞。根據基質細胞中其它蛋白表達水平或者活化程度進行類似的病理分級之後，結果顯示SPINK1的表達同已知的SASP表型的兩個典型標記物IL-8和WNT16B的表達狀態呈現密切關聯。同時，SPINK1在基質細胞中的表達水平越高，患者的臨床預後越差，生存期越短，暗示SPINK1具有顯著的病理意義。
既然SPINK1作為基質細胞可誘導表達的廣譜SASP一員，對於微環境中的癌細胞是否可以產生顯著影響呢？隨後的co-culture實驗表明，前列腺癌細胞在SPINK1的作用下發生RTK受體蛋白EGFR的活化，以及其下游信號通路Akt-mTOR和Erk-Stat3的磷酸化。IP結果證實了SPINK1與EGFR之間的物理性結合。相比於基質細胞本身在敲除或過表達SPINK1之後的增殖狀態，癌細胞出現了多種表型的顯著變化，包括增值率、遷移率和侵襲性。更重要的，基質細胞來源的SPINK1造成上皮癌細胞出現顯著耐藥性，其劑量反應曲線出現明顯的平行漂移。研究人員選用的米託蒽醌(MIT)藥物濃度同前列腺癌臨床患者血漿濃度十分接近，就是為了設計與模擬這種給藥條件下SPINK1的病理影響。
通過RNA-Seq發現，相比於對照組基質細胞CM，SPINK1陽性CM，可以深刻改變癌細胞的表達譜。PC3和DU145這兩個細胞系中出現protein-coding, lncRNA, miRNA, misc RNA和pseudogene等category的普遍變化。在PC3和DU145之間差異表達的基因有465個；在對這些分子進行系統分析之後發現，GO變化最顯著的是免疫應答、信號轉導和細胞通訊等方面。癌細胞在基質細胞來源的SPINK1作用下除了出現EMT和腫瘤幹細胞發展（CSC development）表型切換的同時，更呈現出血管再生類似的一系列相關變化，包括CD31和CD34等分子在轉錄本和蛋白水平均出現顯著上調。表達位點生信分析和體外管生成實驗檢測均證實了癌細胞這一血管生成的驚人趨勢。
在對免疫缺陷型荷瘤小鼠進行的體內實驗中，SPINK1可以加快前列腺癌的發展速度。以MIT為主的化療藥物可以造成癌細胞組的終端體積顯著下降，但在基質細胞同時存在的情況下，腫瘤滯留體積卻大幅上升，暗示微環境在治療過程中賦予殘存癌細胞顯著的獲得性耐藥。用藥治療荷瘤小鼠的過程中，一些SASP典型外泌因子如IL-8/WNT16B/SPINK1/MMP3/AREG/ANGPTL4，以及衰老相關marker如p16/p21的表達均出現上調，暗示體內條件下細胞衰老和SASP的發生發展。
為了抵消隨著化療的進行而出現的腫瘤微環境中的SPINK1，研究人員使用了SPINK1的單克隆抗體，以及已被美國FDA批准的、臨床中用於阻斷EGFR的西妥昔單抗Cetuximab。有趣的是，化療/SPINK1單抗聯用造成的治療效果，甚至要高於化療/Cetuximab聯合的效果。這無論在小鼠腫瘤終端體積還是體內生物熒光信號的檢測上，都獲得了一致性數據。更重要的是，對腫瘤切片進行組化分析時，他們發現
化療/SPINK1單抗聯用可以造成比化療/Cetuximab聯用更高的癌細胞凋亡率，暗示微環境中的SPINK1在受體癌細胞表面可能不止EGFR這一個受體【7】。隨後的臨床研究數據表明，SPINK1可以在化療後階段的患者血漿中被檢測到，其水平顯著高於化療前時期的那些患者。此外，SPINK1同IL-8在同一批患者一對一的分析中處呈現出一定程度的關聯。免疫印跡顯示出這兩個外泌因子在患者血漿中幾乎同時出現，且化療後階段同化療前時期之間形成鮮明對比。在原位腫瘤、外周血液之間的定量分析，進一步揭示了SPINK1和IL-8之間存在密切關聯，暗示局部微環境中的這些SASP因子最終要進入循環系統並可以作為臨床治療過程中評估癌症患者體內SASP發生發展的新型標記物。
相比於過往有關SPINK1在癌細胞中的高表達、突變、擴增和缺失等報道，這項研究深刻揭示了腫瘤微環境中的基質細胞在化療過程中可以生成與釋放大量的SASP因子，其中的SPINK1可以激活療後階段殘存下來的癌細胞，使其獲得對於臨床藥物的抵抗。這種獲得性耐藥，正是造成日後腫瘤復發和轉移的生物學基礎，也成為患者在臨床中出現多藥耐藥等現象的重要病理根源【8】。
據悉，孫宇組博士生陳斐、復旦大學中山醫院泌尿外科龍啟來、同濟大學上海第十人民醫院符達和復旦大學中山醫院普外科朱德祥為共同第一作者，孫宇研究員為該文通訊作者。
參考文獻
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