《科学》子刊:临床前肿瘤研究不靠谱的原因找到了!科学家发现环境中氧气比例对癌细胞生理状态影响极大,或可解释临床前后结果不一致

2022-01-18 01:49:52 奇点网
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当了这么多年实验狗,咱都知道,体外实验的结果,到了体内实验又被推翻实在太常见不过……好些癌症新药,临床前研究数据多么漂亮,到临床上还是不行,说多了都是泪。

也没办法,生理病理环境确实复杂,一个小小的条件不同,敏感的癌细胞就给你玩上七十二变了

近期,《科学·进展》杂志发表了来自美国印第安纳大学科研团队的研究成果[1],科学家们发现,癌症相关临床前研究常用的21%的氧气条件,其实会广泛地影响癌细胞的生理特征,包括癌细胞的增殖能力、关键信号通路以及对靶向治疗的敏感性等

在生理条件下生长的癌细胞,有可能会比在实验环境下“更高更快更强”!

先来说说癌细胞的“普遍缺氧”现状。21%其实就是正常环境中氧气的浓度,但是在我们的各种器官中,氧气浓度要低得多,通常在3%-10%[2],肿瘤内部氧气就更少啦,比如说正常乳腺中氧气水平大约6.8%,而乳腺肿瘤中的氧气只有1.3%

其实科学家们也不是头一天发现这个问题,毕竟氧是特别关键的一个生存因素,低氧环境会通过缺氧诱导因子(HIF)调控细胞的生理,这个科研团队之前就发现,在环境氧水平下的造血干细胞(HSC)会表现出更强的分化倾向和更低的移植能力[3]。

那么癌细胞也很可能会受到类似的影响啊!这么一想很多临床前实验的结果都不靠谱了有木有~

于是今天这个研究就出现啦。研究方案稍微有点复杂,咱们配合着图来看一下。简略地说,研究者们选了两种不同的乳腺癌模式小鼠,取出它们的肿瘤,在不同氧条件下暴露1小时并分析分子标记物;为了确定环境氧水平对癌细胞影响是否持久,暴露后的癌细胞还被再一次移植、取出和分析。

实验流程

顺便一说,选择1小时这个时长,主要是因为一般肿瘤组织从手术取出、处理样品到病理学分析,暴露在自然环境中的时间差不多是1个小时。

研究者们选了两个标志物,LGR5是癌症干细胞(CSC)的功能性标志物,可以代表干细胞的增殖和自我更新能力,以及产生活性氧(ROS)的潜力[4],TSPAN8同样是CSC标志物[5]。

好了来看结果吧,效果非常的显著啊,在病理环境——也就是5%氧气生理性缺氧(physioxia)的条件下,LGR5+细胞更多!而且这种影响还不是一次性的,再次移植后(TT)依然存在

不过TSPAN8在两种癌细胞中均无变化

研究者们还做了进一步分析,发现在缺氧条件下培养的癌细胞中,干细胞相关基因Bmp6、Zeb1、Gli2表达水平都更高

更惹人关注的是,研究者们发现缺氧环境下的Her/Neu癌细胞要比自然环境下表达更多的PD-L1(CD274),PD-L1可是免疫治疗的预后标志物,临床分析很可能因为氧水平的问题出差池啊。

PD-L1也会受氧水平影响

当研究者们把这些癌细胞移植给小鼠,可以看到,在21%氧中“沐浴”过的癌细胞成瘤比例更高,生长速度也更快。显然,实验中曾暴露于空气的癌细胞,很可能会影响移植实验里肿瘤生长特征和标志物的水平。

这还没完,治疗方面也会受影响吧?

研究者们测试了几种抗癌剂,包括靶向PIK3CAα的BYL719(alpelisib)、EGFR抑制剂厄洛替尼、拉帕替尼及化疗药紫杉醇。缺氧条件下的癌细胞明显比暴露于环境氧条件的更加耐药

缺氧环境下癌细胞在治疗后生存率更高

研究者们还用结肠癌细胞和以特殊方法抽取的卵巢癌患者腹水做了验证实验,都发现了氧水平对癌细胞基因组和蛋白组的广泛影响。

不同氧环境下收集的同一患者的样本,免疫细胞组成差异很大

如此来看癌细胞真是太“敏感”了,环境中的氧居然能造成如此多的影响,乃至于让癌细胞表现出完全不同的生理特征,之前的很多研究成果恐怕还需要修正一番。

而实验狗此刻只想说:实验越来越难做了!

参考资料:

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh3375#R7

[2] S. R. McKeown, Defining normoxia, physoxia and hypoxia in tumours-implications for treatment response. Br. J. Radiol. 87, 20130676 (2014).

[3] C. R. Mantel, H. A. O’Leary, B. R. Chitteti, X. Huang, S. Cooper, G. Hangoc, N. Brustovetsky, E. F. Srour, M. R. Lee, S. Messina-Graham, D. M. Haas, N. Falah, R. Kapur, L. M. Pelus, N. Bardeesy, J. Fitamant, M. Ivan, K. S. Kim, H. E. Broxmeyer, Enhancing hematopoietic stem cell transplantation efficacy by mitigating oxygen shock. Cell 161, 1553–1565 (2015).

[4] H. Ohata, D. Shiokawa, Y. Obata, A. Sato, H. Sakai, M. Fukami, W. Hara, H. Taniguchi, M. Ono, H. Nakagama, K. Okamoto, NOX1-dependent mTORC1 activation via S100A9 oxidation in cancer stem-like cells leads to colon cancer progression. Cell Rep. 28, 1282–1295.e8 (2019).

[5] R. Zhu, O. Gires, L. Zhu, J. Liu, J. Li, H. Yang, G. Ju, J. Huang, W. Ge, Y. Chen, Z. Lu, H. Wang, TSPAN8 promotes cancer cell stemness via activation of sonic Hedgehog signaling. Nat. Commun. 10, 2863 (2019).

本文作者丨代丝雨

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