動畫制作『癌細(xì)胞：為求自保同類相食』健康知識mg動畫科普

動畫制作『癌細(xì)胞：為求自保同類相食』健康知識mg動畫科普

出品：科普中國

制作：顏雯璐 王當(dāng)歌(中國科學(xué)院上海藥物研究所)

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

惡性腫瘤是人類健康的重大威脅，化療作為腫瘤治療的三大傳統(tǒng)方法之一，在臨床抗腫瘤應(yīng)用中仍然捉襟見肘。一是其毒副作用大，“殺敵一千，自毀八百”，另一方面，化療后腫瘤清除不徹底，易耐藥，易復(fù)發(fā)的特點(diǎn)也極大限制了化療療效。

癌細(xì)胞：化療，是殺不死我的

一直以來，化療不能完全殺死癌細(xì)胞是讓醫(yī)者和患者都抓狂的問題?；熓抢眉?xì)胞毒性藥物阻止癌細(xì)胞的增殖、浸潤、轉(zhuǎn)移，直至最終殺滅癌細(xì)胞的一種治療方式。其作用機(jī)制可分為：直接作用于DNA、干擾DNA和核酸合成、阻礙有絲分裂、影響蛋白質(zhì)合成、作用于腫瘤信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制等。研究中利用的化療藥阿霉素是DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ的抑制劑，通過嵌合到DNA的鳥嘌呤-胞嘧啶堿基對之間，使堿基對的距離由原來的0.34 nm增大至0.68 nm，從而引起DNA的裂解，屬于直接作用于DNA的藥物。

正常狀況下，阿霉素破壞了癌細(xì)胞的DNA后會誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，但是在TP53野生型的癌細(xì)胞中，化療卻誘導(dǎo)其進(jìn)入衰老狀態(tài)，并分泌一系列衰老相關(guān)分泌表型的細(xì)胞因子和趨化因子，從而可以增強(qiáng)癌細(xì)胞功能，例如增殖、存活、腫瘤干性、免疫逃逸、腫瘤耐藥和轉(zhuǎn)移。

為何本該殺滅腫瘤細(xì)胞的化療藥物卻誘導(dǎo)產(chǎn)生這種不利治療的行為呢？

太殘忍!為了活命癌細(xì)胞竟互相殘殺

使用RNA測序和基因集富集分析小鼠乳腺腫瘤病毒MMTV-Wnt1腫瘤,MCF-7(人源乳腺癌細(xì)胞系)和4226(由TP53野生型MMTV-Wnt1腫瘤構(gòu)建的鼠源乳腺癌細(xì)胞系)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞周期相關(guān)基因的表達(dá)高度富集，這與化療誘導(dǎo)的細(xì)胞周期停滯相一致。此外，化療后的癌細(xì)胞中與吞噬有關(guān)的基因標(biāo)記變得豐富，說明化療可能會誘導(dǎo)癌細(xì)胞獲得吞噬的能力。

近期的一篇研究報(bào)道證實(shí)，癌細(xì)胞的“卷土重來”與其吞噬相鄰細(xì)胞有關(guān)，讓我們來了解一下癌細(xì)胞“為求自保，同類相食”的具體發(fā)現(xiàn)。

該研究成果發(fā)表在JCB上(圖片來源：http://jcb.rupress.org/content/early/2019/09/16/jcb.201904051)

為了研究乳腺腫瘤中癌細(xì)胞的相互作用，研究人員用熒光對p53野生型MMTV-Wnt1腫瘤進(jìn)行標(biāo)記。利用化療藥物阿霉素誘導(dǎo)癌細(xì)胞增殖停滯和衰老后，在小鼠乳腺腫瘤或乳腺癌細(xì)胞系中，均觀察到細(xì)胞疊套(cell-in-cell)結(jié)構(gòu)：化療誘導(dǎo)的衰老細(xì)胞內(nèi)部形成大的囊泡，這些囊泡源自培養(yǎng)物或腫瘤中的其他鄰近細(xì)胞。即，癌細(xì)胞“吃”掉了其他的相鄰細(xì)胞。

　　小鼠腫瘤(左)和4226細(xì)胞系(右)中的衰老癌細(xì)胞吞噬其它細(xì)胞(圖片來源：http://jcb.rupress.org/content/jcb/early/2019/09/16/jcb.201904051/F1.large.jpg)

被吃的細(xì)胞會面臨怎樣的命運(yùn)？

使用SA-βGAL(細(xì)胞衰老標(biāo)記)和綠色熒光標(biāo)記的LAMP1(溶酶體膜的成分)發(fā)現(xiàn)，衰老細(xì)胞的溶酶體區(qū)室廣泛擴(kuò)展，被吞噬的細(xì)胞被包裹在溶酶體膜內(nèi)，證實(shí)其被加工成溶酶體后降解。

　　被吞噬的細(xì)胞加工成溶酶體

　　(圖片來源：http://jcb.rupress.org/content/jcb/early/2019/09/16/jcb.201904051/F4.large.jpg)

顯微鏡觀測結(jié)果顯示，衰老細(xì)胞能夠完全吞噬相鄰細(xì)胞，并將其在2-3天內(nèi)降解，也有部分殘留物在囊泡中存在長達(dá)一周時(shí)間。此外，癌細(xì)胞吞噬鄰近細(xì)胞不止發(fā)生一次，還可以“連環(huán)作案”，吞噬多個(gè)細(xì)胞。被吞噬的細(xì)胞被加工成溶酶體后降解，為腫瘤生長和復(fù)發(fā)提供了能量和材料。

　　同類相食為癌細(xì)胞提供營養(yǎng)

　　(圖片來源：https://www.nature.com/articles/s41568-018-0073-9/figures/2)

用阿霉素誘導(dǎo)MCF-7和4226細(xì)胞衰老，7天后發(fā)現(xiàn)發(fā)生了同類相食的細(xì)胞存活時(shí)間均比未吞噬的細(xì)胞長，這些數(shù)據(jù)表明細(xì)胞吞噬增強(qiáng)了衰老癌細(xì)胞的生存能力。

吞噬了鄰近細(xì)胞的癌細(xì)胞具有更強(qiáng)的生存能力

(圖片來源 http://jcb.rupress.org/content/jcb/early/2019/09/16/jcb.201904051/F8.large.jpg)

值得一提的是，癌細(xì)胞并非一接觸化療藥物就開始同類相食，而是會蟄伏一段時(shí)間：一般在誘導(dǎo)細(xì)胞衰老后的第4天發(fā)生吞噬，并在第6天達(dá)到最高水平。

　　衰老的癌細(xì)胞吞噬多個(gè)鄰近細(xì)胞(左)和已吞噬了細(xì)胞的癌細(xì)胞(右)

　　(圖片來源：http://jcb.rupress.org/content/jcb/early/2019/09/16/jcb.201904051/F2.large.jpg)

所有的癌細(xì)胞都會同類相食嗎？

實(shí)際上，腫瘤組織中的細(xì)胞套疊(cell in cell)的結(jié)構(gòu)早在一百多年前就被發(fā)現(xiàn)，并被認(rèn)為不利于癌癥治療。在化療誘導(dǎo)下，吞噬作用的發(fā)生率大幅提高，鼠源乳腺癌4226細(xì)胞的吞噬率為14%至23%，人源乳腺癌MCF-7細(xì)胞為16%至25%，而未經(jīng)處理的細(xì)胞吞噬率約為3-4%。那么僅乳腺癌細(xì)胞在化療后會產(chǎn)生同類相食的行為嗎?答案是否定的，研究人員發(fā)現(xiàn)人非小細(xì)胞肺癌A549和人骨肉瘤U2OS細(xì)胞也出現(xiàn)了類似吞噬同類的情況，說明同類相食的行為廣泛存在于多種類型的癌細(xì)胞中。

　　肺腺癌細(xì)胞(左)和骨肉瘤細(xì)胞(右)也存在同類相食的狀況

　　(圖片來源：http://jcb.rupress.org/content/jcb/early/2019/09/16/jcb.201904051/F3.large.jpg)

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，觀測到發(fā)生同類相食行為的癌細(xì)胞，均為TP53野生型(野生型表明基因是自然存在，并不是由突變產(chǎn)生)，這表明，TP53基因可能是導(dǎo)致同類相食的“關(guān)鍵基因”。也就意味著，如果癌細(xì)胞中含有TP53基因，則會發(fā)生同類相食。

那么TP53基因?yàn)楹稳绱松裢◤V大?TP53基因能夠編碼p53蛋白，p53蛋白是一種細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子，當(dāng)存在活性p53時(shí)，乳腺癌細(xì)胞化療后就不會死亡而是衰老，再蓄勢待發(fā)，卷土重來，使得化療失敗。

　　p53結(jié)構(gòu)(左) TP53與化療效果的關(guān)系(右)

　　(圖片來源：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/pdb/4MZR    https://doi.org/10.1016/S0140-6736(02)09969-5  )

沒嘴沒牙，癌細(xì)胞是如何“吃”掉同類的？

細(xì)胞吞噬的兩種模式是細(xì)胞侵入性死亡也稱內(nèi)陷(entosis)和吞噬作用(phagocytosis)：內(nèi)陷是細(xì)胞主動被鄰近細(xì)胞攝取，吞噬作用則是主動進(jìn)攻去吞噬相鄰細(xì)胞。

那么癌細(xì)胞的同類相食究竟采用的是何種戰(zhàn)術(shù)呢?研究人員發(fā)現(xiàn)，雖然阿霉素處理后的單層細(xì)胞的吞噬率增加了5-10倍，但是其內(nèi)陷的發(fā)生率并未提高;阻斷了內(nèi)陷的過程后，吞噬效率未受影響;與內(nèi)陷過程緊密相關(guān)的鈣粘附蛋白-E在這個(gè)過程中也未增加，且將編碼該蛋白的基因敲除后，吞噬效率仍舊居高不下。這就排除了細(xì)胞吞食是由內(nèi)陷介導(dǎo)的。而相反的是，在阿霉素處理后的衰老細(xì)胞中，吞噬作用和溶酶體運(yùn)輸水平顯著增強(qiáng)，證明了這種癌細(xì)胞同類相食的作用機(jī)制是吞噬作用。

雖然同類相食與吞噬作用都與細(xì)胞表面標(biāo)記物CD68的表達(dá)有關(guān)，且兩者都涉及肌動蛋白依賴的吞噬活性，但是也有研究人員認(rèn)為同類相食與吞噬作用仍存在一定的區(qū)別，即吞噬作用通常針對垂死或死亡的細(xì)胞，而同類相食也可能吞噬活細(xì)胞，提示同類相食可能有其獨(dú)特的機(jī)制。

　　同類相食示意圖

　　(圖片來源：https://www.nature.com/articles/s41568-018-0073-9/figures/1)

癌細(xì)胞會“吃”同類獲得新能力，我們怎么辦？

實(shí)際上，并非只有化療會誘導(dǎo)癌細(xì)胞同類相食，有研究表明，高水平的活性氧和電離輻射也誘導(dǎo)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。既然同類相食有利于癌細(xì)胞生存，那么抑制這類吞噬鄰近細(xì)胞的行為可能會為癌癥的治療提供一種新思路，具有顯著的臨床意義。例如攝入大量惰性顆?？赡軙蓴_細(xì)胞吞噬，從而剝奪某些癌細(xì)胞同類相食的能力，促進(jìn)癌細(xì)胞死亡。進(jìn)一步深入研究癌細(xì)胞同類相食行為，了解經(jīng)該過程的能量供應(yīng)特點(diǎn)，有望為腫瘤患者的化療提供有價(jià)值的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

1、http://doi.org/10.1083/jcb.201904051 

2、https://www.nature.com/articles/s41568-018-0073-9

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