動畫制作『癌細胞：為求自保同類相食』健康知識mg動畫科普

動畫制作『癌細胞：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 王當歌(中國科學院上海藥物研究所)

監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心

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，易復發(fā)的特點也極大限制了化療療效。

癌細胞：化療，是殺不死我的

一直以來，化療不能完全殺死癌細胞是讓醫(yī)者和患者都抓狂的問題?；熓抢眉毎拘运幬镒柚拱┘毎脑鲋场⒔?、轉移，直至最終殺滅癌細胞的一種治療方式。其作用機制可分為：直接作用于DNA、干擾DNA和核酸合成、阻礙有絲分裂、影響蛋白質合成、作用于腫瘤信號轉導機制等。研究中利用的化療藥阿霉素是DNA拓撲異構酶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，阿霉素破壞了癌細胞的DNA后會誘導細胞凋亡，但是在TP53野生型的癌細胞中，化療卻誘導其進入衰老狀態(tài)，并分泌一系列衰老相關分泌表型的細胞因子和趨化因子，從而可以增強癌細胞功能，例如增殖、存活、腫瘤干性、免疫逃逸、腫瘤耐藥和轉移。

為何本該殺滅腫瘤細胞的化療藥物卻誘導產(chǎn)生這種不利治療的行為呢？

太殘忍!為了活命癌細胞竟互相殘殺

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(人源乳腺癌細胞系)和4226(由TP53野生型MMTV-Wnt1腫瘤構建的鼠源乳腺癌細胞系)發(fā)現(xiàn)，細胞周期相關基因的表達高度富集，這與化療誘導的細胞周期停滯相一致。此外，化療后的癌細胞中與吞噬有關的基因標記變得豐富，說明化療可能會誘導癌細胞獲得吞噬的能力。

近期的一篇研究報道證實，癌細胞的“卷土重來”與其吞噬相鄰細胞有關，讓我們來了解一下癌細胞“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胞的相互作用，研究人員用熒光對p53野生型MMTV-Wnt1腫瘤進行標記。利用化療藥物阿霉素誘導癌細胞增殖停滯和衰老后，在小鼠乳腺腫瘤或乳腺癌細胞系中，均觀察到細胞疊套(cell-in-cell)結構：化療誘導的衰老細胞內部形成大的囊泡，這些囊泡源自培養(yǎng)物或腫瘤中的其他鄰近細胞。即，癌細胞“吃”掉了其他的相鄰細胞。

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

被吃的細胞會面臨怎樣的命運？

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

　　被吞噬的細胞加工成溶酶體

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

顯微鏡觀測結果顯示，衰老細胞能夠完全吞噬相鄰細胞，并將其在2-3天內降解，也有部分殘留物在囊泡中存在長達一周時間。此外，癌細胞吞噬鄰近細胞不止發(fā)生一次，還可以“連環(huán)作案”，吞噬多個細胞。被吞噬的細胞被加工成溶酶體后降解，為腫瘤生長和復發(fā)提供了能量和材料。

　　同類相食為癌細胞提供營養(yǎng)

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

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

吞噬了鄰近細胞的癌細胞具有更強的生存能力

(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，而是會蟄伏一段時間：一般在誘導細胞衰老后的第4天發(fā)生吞噬，并在第6天達到最高水平。

　　衰老的癌細胞吞噬多個鄰近細胞(左)和已吞噬了細胞的癌細胞(右)

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

所有的癌細胞都會同類相食嗎？

實際上，腫瘤組織中的細胞套疊(cell in cell)的結構早在一百多年前就被發(fā)現(xiàn)，并被認為不利于癌癥治療。在化療誘導下，吞噬作用的發(fā)生率大幅提高，鼠源乳腺癌4226細胞的吞噬率為14%至23%，人源乳腺癌MCF-7細胞為16%至25%，而未經(jīng)處理的細胞吞噬率約為3-4%。那么僅乳腺癌細胞在化療后會產(chǎn)生同類相食的行為嗎?答案是否定的，研究人員發(fā)現(xiàn)人非小細胞肺癌A549和人骨肉瘤U2OS細胞也出現(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胞中。

　　肺腺癌細胞(左)和骨肉瘤細胞(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基因可能是導致同類相食的“關鍵基因”。也就意味著，如果癌細胞中含有TP53基因，則會發(fā)生同類相食。

那么TP53基因為何如此神通廣大?TP53基因能夠編碼p53蛋白，p53蛋白是一種細胞轉錄因子，當存在活性p53時，乳腺癌細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結構(左) TP53與化療效果的關系(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，癌細胞是如何“吃”掉同類的？

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

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

雖然同類相食與吞噬作用都與細胞表面標記物CD68的表達有關，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胞，而同類相食也可能吞噬活細胞，提示同類相食可能有其獨特的機制。

　　同類相食示意圖

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

癌細胞會“吃”同類獲得新能力，我們怎么辦？

實際上，并非只有化療會誘導癌細胞同類相食，有研究表明，高水平的活性氧和電離輻射也誘導出現(xiàn)這種現(xiàn)象。既然同類相食有利于癌細胞生存，那么抑制這類吞噬鄰近細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_細胞吞噬，從而剝奪某些癌細胞同類相食的能力，促進癌細胞死亡。進一步深入研究癌細胞同類相食行為，了解經(jīng)該過程的能量供應特點，有望為腫瘤患者的化療提供有價值的指導。

參考文獻：

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

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

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