乳腺癌紫杉醇化療敏感性的生物標志物相關研究進展

宋錦渲,王 悅,白錦浩,張 軍*

(1.天津醫科大學腫瘤醫院·乳腺二科·國家腫瘤臨床醫學研究中心·天津市“腫瘤防治”重點實驗室·天津市惡性腫瘤臨床醫學研究中心·乳腺癌防治教育部重點實驗室,天津300060;2.新疆第二醫學院中醫學院)

根據美國癌癥協會的最新統計,乳腺癌已成為全球女性的第一好發腫瘤和最常見的惡性腫瘤,占新發病例數的32%,發病率持續保持快速增長。同時也是排名第二的女性致死腫瘤,僅次于肺癌[1]。現階段,化療被認為是提高乳腺癌患者總生存率的最有效的選擇之一。大多數乳腺癌患者都將接受紫杉醇(paclitaxel,PTX)治療,紫杉醇和多西紫杉醇作為推薦的一線治療方案[2]。然而,約30%的患者對紫杉醇治療出現敏感性降低,這就會導致癌癥化療失敗,并產生較差的臨床結果[3]。目前,影響乳腺癌化療敏感性的分子機制尚未被完全揭示。因此,迫切需要尋找新的分子生物標志物來進行風險分層和準確預測患者的治療反應。近年來,國內外科研工作者在發現影響乳腺癌紫杉醇化療敏感性的生物標志物方面有較多研究,本文將對相關研究進展進行綜述,為進一步探索提供思路。

1 紫杉醇

1.1 紫杉醇的起源

紫杉醇于二十世紀六十年代首次從太平洋西部紅豆杉的莖皮中提取,WANI等[4]于1971年發現PTX是紫杉醇提取物中的活性成分,該藥物屬于紫杉烷家族,化學結構獨特,分子式為C47H51NO14。紫杉醇目前以PTX形式作為藥物進行銷售,它于1994年被批準用于臨床,第一個適應癥是用于治療卵巢癌[5]。目前,紫杉醇已成為一種重要抗癌藥物在治療卵巢癌、乳腺癌和肺癌等領域發揮關鍵作用[6]。紫杉醇及其衍生物多西紫杉醇通過穩定微管聚合物來防止細胞有絲分裂,從而導致細胞死亡。它還可以通過促進微管蛋白組裝成微管并抑制其解離來遲滯細胞周期、有絲分裂和癌細胞增殖的進展[7]。除腫瘤學外,紫杉醇還在支架和球囊等血管器械領域發揮重要作用。紫杉醇包被的裝置用于解決血管成形術后血管再狹窄的問題[8-10]。這種新方案能大大提高治療的有效性,從而改善患者的預后,標志著血管醫學和介入心臟病學領域的重大進步。

紫杉醇因其對結合的白蛋白具有親和力會廣泛播散于全身。紫杉醇的代謝主要在肝臟進行,并通過膽汁排泄。當紫杉醇全部吸收后,其中6%～10%作為未利用的部分經尿液排出,70%以代謝物6-羥基PTX的形式通過糞便排泄[11]。盡管紫杉醇具有強大的抗癌活性,但其在水和其他溶劑中的溶解度較低,限制了其使用和生物利用度。

1.2 紫杉醇的抗癌作用機制

紫杉醇與微管結合而不是微管蛋白二聚體,并通過促進微管的組成部分——α和β微管蛋白亞基的組裝來穩定微管使其聚合[12-13]。該藥物降低了微管蛋白組裝所需的臨界濃度,從而促進了微管蛋白聚合物的延長[14]。微管的穩定性會干擾微管的動力學。隨后,由于有絲分裂檢查點的需求不足,細胞的分裂能力被破壞;因此,細胞分裂在G2期或M期停止。聚合和穩定的微管即使受到低溫和鈣的作用也基本不受影響。鈣的存在降低了紫杉醇對微管蛋白的親和力;因此,聚合與解聚的平衡被打破,向聚合轉移,以抵消這種效應[15-16]。紫杉醇干擾微管和微管聚合的動力學,并通過誘導染色體分離失敗來延緩有絲分裂的進展,所有這些都最終導致細胞凋亡和有絲分裂停滯[17-19]。

紫杉醇對腫瘤細胞毒性的機制高度依賴于藥物在細胞中的濃度。GIANNAKAKOU等[20]記錄了在濃度高于12 nM的PTX處理后,肺癌細胞系A549和乳腺癌細胞系MCF-7增殖的減少導致G2/M停滯。較低濃度的PTX(3～6 nM)在抑制癌細胞增殖方面發揮了類似的潛力,導致程序性細胞死亡[20]。此外,低劑量紫杉醇(20 nM)與Wnt信號通路抑制劑聯合使用的潛在作用調節了相關分子機制,包括E-鈣黏蛋白上調和β-連環蛋白減少,從而抑制了乳腺癌中的腫瘤細胞的生長、轉移和血管生成[21]。

紫杉醇通過線粒體通透性過渡孔(PTP)誘導線粒體儲備中鈣離子的消耗。離開的鈣誘導PTP將凋亡因子細胞色素C(cyto C)從線粒體釋放到胞質溶膠中,從而誘導細胞凋亡[22-23]。但是,抗有絲分裂藥物的副作用與這些藥物在鈣信號級聯反應中的作用有很大關系。這些副作用的嚴重程度和異質性歸因于不同細胞中線粒體鈣攝取的改變。使用大劑量的紫杉醇會導致線粒體破裂、細胞色素C釋放和細胞凋亡[24]。另一方面,當藥物以高劑量給藥時,紫杉醇在存在細胞外鈣庫的情況下通過鈣內流誘導細胞凋亡。然而,低劑量的PTX顯示出細胞凋亡模式,與細胞外鈣濃度無關[25]。

miRNA是一種在基因表達中具有調節功能的小非編碼RNA,可以被包括紫杉醇在內的各種抗腫瘤藥物調節。幾項關注miRNA表達的研究證明了藥物的應用與miRNA表達譜的改變之間的交叉聯系。紫杉醇干預后,乳腺癌細胞系BT-474中具有靶向K-Ras和HER3的腫瘤抑制電位的let-7a和miR-205的表達水平發生了變化[26]。在PTX和力達霉素治療中,PTX的節拍治療(低劑量LDM)降低了let-7f的水平,而與抗血管生成能力相關的血小板反應蛋白-1(thrombospondin-1,TSP-1)的表達增加[27]。總之,臨床前試驗證明了紫杉醇在調控miRNA表達方面的調節潛力,但需要進一步研究才能更好地發揮該藥物在乳腺癌治療中的影響。

2 紫杉醇化療敏感性的生物標志物及其機制

2.1 自噬與紫杉醇化療敏感性

自噬作為一種細胞降解機制是腫瘤細胞對紫杉醇降低敏感性的關鍵因素之一。細胞通過自噬來消除受損的細胞器和外來結構。眾所周知,自噬在抗癌治療過程中是一把雙刃劍。它可以保護癌細胞免受細胞死亡或直接導致細胞死亡。

在乳腺癌細胞系中發現了一些與紫杉醇誘導的自噬相關的分子標記物。腫瘤壞死因子超家族成員13(TNFSF13)在三陰性乳腺癌細胞系MDA-MB-231的紫杉醇不敏感性中發揮重要作用。三陰性乳腺癌中另一個潛在預后標志物的候選基因是鳥苷酸結合蛋白5(GBP5),CHENG等[28]報道該蛋白在三陰性乳腺癌細胞系HCC38、HCC1143、Hs578T和MDA-MB-231中過表達。他們還發現GBP5信使RNA(mRNA)的水平與PTX半抑制濃度的水平相關。特別是,GBP5水平越高,三陰性乳腺癌細胞對PTX處理的反應性越好。GBP5水平對細胞對PTX敏感性的影響是基于該基因產物驅動的自噬抑制。除了TNFSF13和GBP5外,CHEN等[29]最近還發現了另一種與紫杉醇治療乳腺癌療效相關的自噬相關蛋白。他們發現,成紅細胞白血病病毒致癌基因B2(v-erb-b2)和受體酪氨酸激酶2(ERBB2)在紫杉醇不敏感的腫瘤細胞中過表達,誘導自噬相關蛋白12(ATG12)依賴的自噬。除了TNFSF13、GBP5和ERBB2,其他先前確定的紫杉醇誘導乳腺癌自噬調節因子是中介復合物亞基19和小鳥苷(GTP)結合蛋白[30]。以上研究都說明了自噬是癌細胞紫杉醇化療敏感性的關鍵因素。

根據最新的發現,腫瘤對紫杉醇不敏感也可能是由腫瘤干細胞(CSC)中的自噬誘導引起的。LIAO等[31]發現了葡萄糖調節蛋白78(GRP78)、β-連環蛋白和三磷酸腺苷(ATP)結合盒超家族G成員2(ABCG2)的分子通路,該通路上調乳腺癌干細胞的自噬,從而導致它們對紫杉醇治療不敏感。紫杉醇也可以通過介導自噬來增強癌細胞的干細胞性。CSC基因表達的增加和自噬水平的增加可能是由于紫杉醇不敏感的乳腺癌細胞中含有膜聯蛋白6的外泌體的存在引起的。在紫杉醇不敏感的MCF-7和MDA-MB-231細胞系中敲除膜聯蛋白6會導致癌細胞對紫杉醇的敏感性增加。相反,在上述兩種細胞中將膜聯蛋白6過表達會導致它們對紫杉醇的敏感性降低。

自噬也可以影響由紫杉醇誘導的轉移瘤的發展。ZAMORA等[32]探討了紫杉醇治療局部晚期乳腺癌轉移進展的機制。他們發現紫杉醇可以誘導淋巴管內皮細胞(LEC)的自噬。這些細胞的功能在體外被10 nM PTX抑制,導致皮質肌動蛋白重組和細胞膜收縮。然而,在紫杉醇處理24 h后,LEC的功能恢復。重要的是,紫杉醇可以誘導內皮屏障的破壞,從而促進腫瘤向淋巴結的遷移。這種不良反應可以通過紫杉醇與自噬抑制劑氯喹的聯合作用來逆轉,這就證實了自噬在乳腺癌治療期間轉移發展中的作用。

目前正在進行的臨床試驗已經證明了自噬抑制劑氯喹和紫杉醇聯合治療癌癥的巨大潛力。然而,由于自噬抑制劑相關化合物的范圍十分廣泛,已有許多其他基于紫杉醇的抗癌治療組合被報道。例如,對于乳腺癌的治療,青蒿琥酯可能是提高紫杉醇療效的一個較好選擇,因為它可以在通過脂質體傳遞時,降低紫杉醇給藥劑量,同時增強其對腫瘤細胞毒性。自噬抑制是紫杉醇耐藥的一個常見原因。雖然不同自噬調節劑的生物學機制各有區別,但它們都在不同的自噬階段發揮作用。現階段急需在一個模型中比較紫杉醇與具有不同活性的不同化學基團的化合物結合的有效性。目前,紫杉醇誘導的自噬在大多數情況下對癌癥治療不利。

2.2 微管相關蛋白(MAPs)與紫杉醇化療敏感性

MAPs代表了大量通過與微管相互作用來調節微管動力學的蛋白質。MAPs對微管動力學的失調可能導致對微管靶向藥物的敏感性降低,一些研究[33]已經證明了MAPs的異常表達與對紫杉醇的敏感性之間存在相關性。

MAP2/Tau蛋白(包括MAP2、MAP4和Tau蛋白)沿著微管的長軸結合,并通過改變動態行為來穩定它們,從而影響對紫杉醇的敏感性[34]。在許多不同類型的癌癥中已經觀察到MAP2的過表達。MAP2促進微管蛋白聚合并穩定微管。乳腺癌細胞系中MAP2的升高導致紫杉醇敏感性的增加,基因表達分析顯示,在放療對新輔助紫杉醇獲得病理完全應答的患者中,MAP2的表達水平顯著升高[35]。這些結果表明,MAP2有可能作為與紫杉醇新輔助治療應答相關的生物標志物。

MAP4廣泛存在于所有類型的細胞中,而MAP4在細胞中的活性受到磷酸化的調控[36]。MAP4的下調或失活可以增加微管的動態變化,從而影響紫杉醇耐藥性[37]。先前的研究表明,在C127細胞系中,MAP4受到p53的負調控,導致微管聚合增加,對紫杉醇敏感性增加[38]。綜上所述,p53介導的MAP4下調是紫杉醇敏感性降低的潛在機制。

Tau蛋白已被確定為乳腺癌中紫杉烷反應的潛在標志物。Tau蛋白也能結合并穩定微管。當乳腺癌患者接受紫杉醇,5-氟尿嘧啶、阿霉素和環磷酰胺(P/FAC)治療時,tau表達與治療反應呈負相關[39]。Tau高表達的her2陽性晚期乳腺癌患者接受紫杉醇和曲妥珠單抗聯合化療的療效不佳[40]。在另一項對雌激素受體(ER)陽性乳腺癌患者的研究中,高tau mRNA表達表明他莫昔芬具有敏感性,但對紫杉醇的敏感性無影響。然而,低tau mRNA表達表明單獨使用他莫昔芬預后不良,低表達的患者可能受益于含紫杉醇的化療[41]。

2.3 長鏈非編碼RNA(lncRNA)與紫杉醇

LncRNA被認為是癌癥中基因表達的重要調控因子。許多lncRNA與癌癥的起源和進展有關。lncRNA的異常表達與腫瘤的發生、轉移密切相關。此外,lncRNA可以直接或間接調控與化療敏感性相關的多種途徑,如藥物外排的改變、細胞凋亡途徑的抑制、促進EMT等。

紫杉醇作為一種微管穩定劑,是臨床腫瘤學中常用的化療藥物。它會導致腫瘤細胞周期阻滯在G2期和M期,并誘導腫瘤細胞凋亡。在ER陰性的乳腺癌細胞中,發現lncRNA MAPT-AS1通過與tau蛋白(MAPT)的反義配對,與細胞生長、侵襲性和紫杉醇敏感性相關[42]。一些lncRNAs可以通過影響乳腺癌細胞中的ABC外排轉運體來介導紫杉醇耐藥性。例如,有報道稱lncRNA BC032585可能通過順式或反式調控機制調控MDR1的表達[43]。在MDA-MB-231和MCF-7乳腺癌細胞中使用特異性siRNA敲除lncRNA BC032585導致對阿霉素和阿霉素加紫杉醇治療的敏感性降低。相反,lncRNA FTH1P3通過靶向miR-206/ABCB1軸來增加ABCB1蛋白的產生[44],從而誘導乳腺癌細胞對紫杉醇敏感性降低。研究發現,Linc00518通過miR-199a/MRP1軸減少紫杉醇誘導的凋亡,降低MCF-7細胞對紫杉醇的敏感性,而Linc00518通過調節miR-199a/MRP1軸增加多藥的敏感性。在紫杉醇不敏感的MCF-7細胞中,lncRNA RP11-770J1.3和TMEM25高表達,下調lncRNA RP11-770J1.3和TMEM25可以通過抑制MRP、BCRP和P-gp的表達來增加這些細胞對紫杉醇的敏感性[45]。

在多項研究中,乳腺癌紫杉醇化療敏感性與細胞周期和凋亡通路相關的lncRNA 有關。Linc00511通過作為ceRNA,通過海綿化miR-29c和增加CDK6的表達[46],從而誘導乳腺癌細胞對紫杉醇不敏感。研究人員發現,lncRNA CASC2在紫杉醇不敏感的臨床乳腺癌樣本和細胞系中表達增加[46]。紫杉醇誘導CASC2的表達是濃度依賴性的,下調CASC2會增加紫杉醇的毒性,降低半抑制濃度值。研究者進一步闡明了miR-18a-5p/CDK19是CASC2功能的下游靶點[47]。LncRNA UCA1在對紫杉醇不敏感的乳腺癌組織和MCF-7細胞中高表達,進一步證實UCA1通過調控miR-613/CDK12軸介導影響紫杉醇敏感性[48]。與親本細胞相比,lncRNA和紫杉醇耐藥的MDA-MB-231細胞中NEAT1的表達上調,而NEAT1致敏的腫瘤細胞則表達下調。功能研究表明,NEAT1通過調節三陰性乳腺癌細胞中的凋亡和細胞周期進程發揮致癌作用[49]。LncRNA NONHSAT141924通過抑制p-CREB/Bcl-2凋亡途徑降低紫杉醇敏感性,過表達lncRNA NONHSAT141924增加乳腺癌中Bcl-2和p-CREB蛋白水平[50]。另一項研究也表明,lncRNA H19可以通過滅活兩個關鍵的促凋亡基因BIK/NOXA來降低乳腺癌對紫杉醇的敏感性[51]。

此外,lncRNA可以影響信號通路或EMT來調節乳腺癌中的紫杉醇敏感性。有研究發現,lncRNA H19在紫杉醇不敏感細胞中的表達水平明顯高于紫杉醇敏感細胞[52]。敲除H19 lncRNA可以通過介導AKT信號通路來恢復其化學敏感性[53]。LncRNA DCST1-AS1通過ANXA1促進TGF-β誘導的EMT,降低乳腺癌細胞對阿霉素和紫杉醇的敏感性[54]。同樣,linc-ROR被發現通過誘導EMT降低5-氟尿嘧啶和紫杉醇敏感性和增強乳腺癌細胞的侵襲能力[55]。

3 研究的意義與展望

3.1 研究意義

影響乳腺癌紫杉醇化療敏感性的生物標志物和機制十分復雜,也是一個多因素、多步驟的過程。它既是腫瘤內癌細胞相互作用的結果,也與乳腺癌細胞及其周圍環境的作用密切相關。從自噬、微管相關蛋白和長鏈非編碼RNA三個方面綜述與乳腺癌中產生紫杉醇敏感性相關的關鍵基因及相關分子機制,為今后繼續深入研究乳腺癌中的紫杉醇敏感性機制和研發相關提高化療敏感性的潛在可利用藥物提供了詳細的分子生物學見解。然而由于影響紫杉醇敏感性生物標志物眾多,充分了解其作用機制仍是當今人們所面臨的一個重要挑戰。隨著藥理學的不斷發展,乳腺癌紫杉醇敏感性生物標志物的新機制不斷出現,同時,提高化療敏感性的新方法也逐漸應用于臨床治療。

3.2 展望

目前,大多數乳腺癌的紫杉醇化療方案仍采用與其他藥物聯合治療方案,這不僅可以提高藥物的療效,而且可以有效防止腫瘤對其敏感性降低導致的療效下降。目前,已開發出許多新型化合物或遞送載體,在臨床應用中顯示出良好的療效。與此同時,基因工程的興起吸引了大量的研究人員在遺傳水平上研究提高化療藥物敏感性。例如,RNAi技術與基因治療載體的結合已經顯示出了良好的臨床應用前景。此外,對腫瘤細胞周圍微環境的研究進展為化療增敏提供了新的治療方案。腫瘤免疫微環境(TME)的異質性也與乳腺癌的化療敏感性有關,這表明針對腫瘤免疫影響紫杉醇敏感性的治療計劃將有助于在未來實現個體化的精準治療。相信隨著新的醫學理念和技術的發展,乳腺癌紫杉醇化療可以最大程度提高其治療乳腺癌的療效,提高臨床治療效果。