歎為觀止！同期兩篇《自然》揭示腫瘤內癌細胞交流和分工機制｜科學大發現

腫瘤究竟是如何在人體防禦系統的嚴密監視下組建「黑窩點」的？它們真的是盲目瘋狂的生長嗎？它們是不是也有自己的「智慧」呢？

5月中旬，來自MIT的Tuomas Tammela博士團隊和來自斯坦福大學醫學院的Jing Shan Lim博士團隊，同時在頂級期刊《自然》雜誌上發表兩篇重量級研究論文（1，2），揭示了腫瘤內部細胞之間，令人震驚的分工協作機制。更重要的是，透過這些複雜的機制，科學家也為癌症患者找到了更有效的治療方法。

在我們看來，腫瘤就是一個腫塊，我們很難看出腫瘤內部，甚至腫瘤之間存在差異。實際上，在一定程度上，腫瘤非常像一個胚胎。腫瘤細胞的分化命運也是有差異的。這就像胚胎的某些部分會分化成神經系統，有些會分化成心血管系統，有些會分化成呼吸系統。儘管腫瘤細胞的分化沒這麼徹底和明顯。

腫瘤細胞的分化

來自MIT的Tuomas Tammela博士團隊在研究已經進展到晚期的肺腺癌組織時發現，不管是小鼠肺腺癌組織，還是人的肺腺癌組織，裡面至少存在兩種不同類型的細胞。其中一類腫瘤細胞的Wnt信號通路非常活躍；而另一類細胞恰恰是生產Wnt蛋白的，同時還生產一種給Wnt蛋白加脂肪鏈尾巴的porcupine酶。這暗含了一種可能性，即後一類細胞激活了前一類細胞。

Wnt信號通路對人體胚胎的發育和成人腸道等組織的修復非常關鍵，它會激活細胞，讓細胞進入增殖狀態（3）。如果這個信號通路一直處於活躍狀態，就意味著這個細胞一直處於分裂狀態。而這恰恰是腫瘤組織需要的。

那麼肺腺癌組織中的這兩種細胞之間是不是存在信號交流呢？當研究人員在實驗室中培養癌細胞時，他們發現僅有2.7%左右的癌細胞具有增殖能力。當他們把加了脂肪鏈尾巴的Wnt蛋白添加到培養液之後，具備增殖能力的癌細胞比例驟增。如果在培養液中添加的是porcupine酶抑制劑或者Wnt蛋白抑制劑，那麼具備增殖能力的癌細胞比例則會下降。

Wnt信號激活促進Wnt反應細胞增殖

這就說明，至少在晚期肺腺癌組織中，癌細胞之間是存在不同分工的，有些細胞負責「加油助威、搖旗吶喊」，有些細胞收到信號之後進入野蠻生長狀態。那麼這種分工狀態是何時開始的呢？

研究人員把目光收回到腺瘤時期，這個時期腫瘤呈現出良性狀態，還不具備侵襲性。他們發現，只有腺瘤中存在表達porcupine酶和Wnt蛋白的細胞，這個腺瘤才具備轉化為腺癌的能力。這意味著表達porcupine酶和Wnt蛋白細胞的出現，是腺瘤惡化的關鍵。只有形成分工，腫瘤組織才能走向更高級的形態。

隨後，研究人員在胰腺導管腺癌腫瘤組織、結腸腺瘤以及結直腸癌腫瘤組織內檢測出了Wnt蛋白表達細胞。這表明Wnt通路不僅在肺腺癌腫瘤組織內維持一部分細胞的增殖活性，也存在於其他上皮組織腫瘤內。

Wnt信號通路的效應機制

知道了這一點，Tammela博士團隊就開始想辦法利用這一點。他們發現，在患有晚期肺腺癌小鼠體內使用porcupine抑制劑，可以顯著抑制腫瘤的生長和增殖，竟可以使小鼠的生存期延長50%，而且更重要的是porcupine抑制劑顯著抑制移植的癌細胞在受體小鼠內的增殖（1）。也就是說，抑制Wnt通路不僅抑制癌細胞的增殖，還能抑制初期腫瘤的發展。

Tammela博士團隊在肺腺癌組織中發現的細胞之間的分工已經讓人驚歎了，然而Lim博士團隊在小細胞肺癌的發現簡直讓人尖叫。那麼小細胞肺癌的細胞之間是如何分工合作的呢，它們又是如何聯繫的呢？

這就涉及到Notch通路了。其實科學家對Notch通路的研究已經有100多年了（5），已有研究表明Notch通路既能促進癌症也能抑制癌症（4），但是Lim博士在小細胞肺癌內更具體的闡明瞭這一機制。那麼Notch是如何影響小細胞肺癌發展的呢？

小細胞肺癌是由神經分泌細胞（NE）發展而來的。但是Lim博士最開始卻在小細胞肺癌內發現了兩種細胞，一種是分泌Notch配體的NE，另一種是分泌Notch受體的非神經內分泌細胞（non-NE）。那麼non-NE是哪兒來的呢？

後來，研究人員發現NE細胞中一部分細胞可以同時分泌Notch配體和受體。並且激活Notch通路後，分泌Notch配體的NE細胞作用與相鄰同時分泌Notch配體和受體的NE細胞，導致佔腫瘤細胞總數約10%-50%的同時具備Notch受體和配體的NE轉化為non-NE，並且這種轉化是不可逆的（2）。

激活Notch通路NE轉化為non-NE同時non-NE促進NE增殖而Notch抑制劑（Tarextumab）可以抑制non-NE生成，化療可以抑制NE增殖

這就奇怪了，正常情況下， NE細胞才是小細胞肺癌的生長以及侵襲的主力。而NE細胞轉化為non-NE後，增殖能力大大減弱。更重要的是，這種轉化是由NE細胞自發完成的。難道說腫瘤會傻到主動削弱自己？

原來事情並沒有這麼簡單。通過將從小細胞肺癌中提取的NE與non-NE一起培養髮現，兩種細胞一起培養增殖能力大大提高，而將二者分開培養，則增殖能力被極大的削弱。而在單獨NE培養基中加入non-NE的提取液，也能顯著促進NE的增殖。同時nonNE提供的生長促進作用不會被Notch通路抑制劑阻斷。也就是說NE的增殖是由non-NE中的某種物質產生的。

這表明腫瘤組織並不是在傻傻地主動削弱自己，而是在曲線救國。隨後研究人員在nonNE以及病人血漿中檢測到一種常見的促生物質肝素結合細胞因子（2）。這種物質是膠質細胞分泌的，促進神經細胞生長的物質。也就是說當NE上的配體與non-NE上的受體結合後，NE就會促進non-NE分泌肝素結合因子用於自己增殖。這就厲害了，機制的腫瘤組織還會給自己的主力準備後勤。

這還不算，更厲害的是，non-NE還會幫主力擋子彈。研究人員發現在化療過程中，non-NE還與小細胞肺癌耐藥顯著相關。並且在一組小細胞肺癌病人內發現non-NE在化療預後較差病人腫瘤組織數量大大增加，同時，在腫瘤異種移植模型裡，用Notch抑制劑與化療聯合用藥達到了超過二者單獨使用的更好的效果。並且non-NE數量更少。

不同治療方案下腫瘤生長速度（從上到下依次是安慰劑，Notch抑制劑，化療，化療加Notch抑制劑）

這就很關鍵了，機智的腫瘤組織，利用Notch通路主動將NE轉化為non-NE原來是為了利用non-NE來分泌營養物質促進NE細胞的增殖從而更利於自己的生長，而且還能利用non-NE做炮灰，從而更利於自己的生存。

搞清楚這些之後，研究人員便進行了臨床實驗測試Notch抑制劑的效果。結果在一期臨床中發現Notch抑制劑tarextumab聯合治療侵襲期小細胞肺癌，可以提高患者總生存期和無進展生存期（NCT01859741）。但是這一現象在二期臨床並沒有看到。可能是tarextumab聯合治療對早期小細胞肺癌患者更有效（數據未公開）。

這就很清楚了，對Wnt與Notch兩個通路的深入探索，讓我們對腫瘤的內部機制有了更加清楚的認識。這也為癌症的治療開闢了新的方向。例如在肺腺瘤時期使用Wnt抑制劑可以抑制其惡化。在化療耐藥的小細胞肺癌患者可以聯合使用Notch抑制劑，而對由NE過度繁殖的小細胞肺癌，我們也能通過激活Notch通路來抑制其生長。正所謂知己知彼才能百戰百勝，對癌症更深入的瞭解更有利於我們對抗癌症。

參考資料：

1. Tammela T, Sanchez-Rivera F J, Cetinbas N M, et al. A Wnt-producing niche drives proliferative potential and progression in lung adenocarcinoma[J]. Nature, 2017.

2. Lim J S, Ibaseta A, Fischer M M, et al. Intratumoural heterogeneity generated by Notch signalling promotes small-cell lung cancer[J]. Nature, 2017.

3. Clevers, H., Loh, K. M. & Nusse, R. An integral program for tissue renewal and regeneration: Wnt signaling and stem cell control. Science 346, 1248012 (2014)

4. Koch, U. & Radtke, F. Notch and cancer: a double-edged sword. Cell. Mol. Life Sci. 64, 2746–2762 (2007).

5. Ntziachristos, P., Lim, J. S., Sage, J. & Aifantis, I. From fly wings to targeted cancer therapies: a centennial for notch signaling. Cancer Cell 25, 318–334 (2014).