乳腺癌紫杉醇化疗敏感性的生物标志物相关研究进展

宋锦渲,王 悦,白锦浩,张 军*

(1.天津医科大学肿瘤医院·乳腺二科·国家肿瘤临床医学研究中心·天津市“肿瘤防治”重点实验室·天津市恶性肿瘤临床医学研究中心·乳腺癌防治教育部重点实验室,天津300060;2.新疆第二医学院中医学院)

根据美国癌症协会的最新统计,乳腺癌已成为全球女性的第一好发肿瘤和最常见的恶性肿瘤,占新发病例数的32%,发病率持续保持快速增长。同时也是排名第二的女性致死肿瘤,仅次于肺癌[1]。现阶段,化疗被认为是提高乳腺癌患者总生存率的最有效的选择之一。大多数乳腺癌患者都将接受紫杉醇(paclitaxel,PTX)治疗,紫杉醇和多西紫杉醇作为推荐的一线治疗方案[2]。然而,约30%的患者对紫杉醇治疗出现敏感性降低,这就会导致癌症化疗失败,并产生较差的临床结果[3]。目前,影响乳腺癌化疗敏感性的分子机制尚未被完全揭示。因此,迫切需要寻找新的分子生物标志物来进行风险分层和准确预测患者的治疗反应。近年来,国内外科研工作者在发现影响乳腺癌紫杉醇化疗敏感性的生物标志物方面有较多研究,本文将对相关研究进展进行综述,为进一步探索提供思路。

1 紫杉醇

1.1 紫杉醇的起源

紫杉醇于二十世纪六十年代首次从太平洋西部红豆杉的茎皮中提取,WANI等[4]于1971年发现PTX是紫杉醇提取物中的活性成分,该药物属于紫杉烷家族,化学结构独特,分子式为C47H51NO14。紫杉醇目前以PTX形式作为药物进行销售,它于1994年被批准用于临床,第一个适应症是用于治疗卵巢癌[5]。目前,紫杉醇已成为一种重要抗癌药物在治疗卵巢癌、乳腺癌和肺癌等领域发挥关键作用[6]。紫杉醇及其衍生物多西紫杉醇通过稳定微管聚合物来防止细胞有丝分裂,从而导致细胞死亡。它还可以通过促进微管蛋白组装成微管并抑制其解离来迟滞细胞周期、有丝分裂和癌细胞增殖的进展[7]。除肿瘤学外,紫杉醇还在支架和球囊等血管器械领域发挥重要作用。紫杉醇包被的装置用于解决血管成形术后血管再狭窄的问题[8-10]。这种新方案能大大提高治疗的有效性,从而改善患者的预后,标志着血管医学和介入心脏病学领域的重大进步。

紫杉醇因其对结合的白蛋白具有亲和力会广泛播散于全身。紫杉醇的代谢主要在肝脏进行,并通过胆汁排泄。当紫杉醇全部吸收后,其中6%～10%作为未利用的部分经尿液排出,70%以代谢物6-羟基PTX的形式通过粪便排泄[11]。尽管紫杉醇具有强大的抗癌活性,但其在水和其他溶剂中的溶解度较低,限制了其使用和生物利用度。

1.2 紫杉醇的抗癌作用机制

紫杉醇与微管结合而不是微管蛋白二聚体,并通过促进微管的组成部分——α和β微管蛋白亚基的组装来稳定微管使其聚合[12-13]。该药物降低了微管蛋白组装所需的临界浓度,从而促进了微管蛋白聚合物的延长[14]。微管的稳定性会干扰微管的动力学。随后,由于有丝分裂检查点的需求不足,细胞的分裂能力被破坏;因此,细胞分裂在G2期或M期停止。聚合和稳定的微管即使受到低温和钙的作用也基本不受影响。钙的存在降低了紫杉醇对微管蛋白的亲和力;因此,聚合与解聚的平衡被打破,向聚合转移,以抵消这种效应[15-16]。紫杉醇干扰微管和微管聚合的动力学,并通过诱导染色体分离失败来延缓有丝分裂的进展,所有这些都最终导致细胞凋亡和有丝分裂停滞[17-19]。

紫杉醇对肿瘤细胞毒性的机制高度依赖于药物在细胞中的浓度。GIANNAKAKOU等[20]记录了在浓度高于12 nM的PTX处理后,肺癌细胞系A549和乳腺癌细胞系MCF-7增殖的减少导致G2/M停滞。较低浓度的PTX(3～6 nM)在抑制癌细胞增殖方面发挥了类似的潜力,导致程序性细胞死亡[20]。此外,低剂量紫杉醇(20 nM)与Wnt信号通路抑制剂联合使用的潜在作用调节了相关分子机制,包括E-钙黏蛋白上调和β-连环蛋白减少,从而抑制了乳腺癌中的肿瘤细胞的生长、转移和血管生成[21]。

紫杉醇通过线粒体通透性过渡孔(PTP)诱导线粒体储备中钙离子的消耗。离开的钙诱导PTP将凋亡因子细胞色素C(cyto C)从线粒体释放到胞质溶胶中,从而诱导细胞凋亡[22-23]。但是,抗有丝分裂药物的副作用与这些药物在钙信号级联反应中的作用有很大关系。这些副作用的严重程度和异质性归因于不同细胞中线粒体钙摄取的改变。使用大剂量的紫杉醇会导致线粒体破裂、细胞色素C释放和细胞凋亡[24]。另一方面,当药物以高剂量给药时,紫杉醇在存在细胞外钙库的情况下通过钙内流诱导细胞凋亡。然而,低剂量的PTX显示出细胞凋亡模式,与细胞外钙浓度无关[25]。

miRNA是一种在基因表达中具有调节功能的小非编码RNA,可以被包括紫杉醇在内的各种抗肿瘤药物调节。几项关注miRNA表达的研究证明了药物的应用与miRNA表达谱的改变之间的交叉联系。紫杉醇干预后,乳腺癌细胞系BT-474中具有靶向K-Ras和HER3的肿瘤抑制电位的let-7a和miR-205的表达水平发生了变化[26]。在PTX和力达霉素治疗中,PTX的节拍治疗(低剂量LDM)降低了let-7f的水平,而与抗血管生成能力相关的血小板反应蛋白-1(thrombospondin-1,TSP-1)的表达增加[27]。总之,临床前试验证明了紫杉醇在调控miRNA表达方面的调节潜力,但需要进一步研究才能更好地发挥该药物在乳腺癌治疗中的影响。

2 紫杉醇化疗敏感性的生物标志物及其机制

2.1 自噬与紫杉醇化疗敏感性

自噬作为一种细胞降解机制是肿瘤细胞对紫杉醇降低敏感性的关键因素之一。细胞通过自噬来消除受损的细胞器和外来结构。众所周知,自噬在抗癌治疗过程中是一把双刃剑。它可以保护癌细胞免受细胞死亡或直接导致细胞死亡。

在乳腺癌细胞系中发现了一些与紫杉醇诱导的自噬相关的分子标记物。肿瘤坏死因子超家族成员13(TNFSF13)在三阴性乳腺癌细胞系MDA-MB-231的紫杉醇不敏感性中发挥重要作用。三阴性乳腺癌中另一个潜在预后标志物的候选基因是鸟苷酸结合蛋白5(GBP5),CHENG等[28]报道该蛋白在三阴性乳腺癌细胞系HCC38、HCC1143、Hs578T和MDA-MB-231中过表达。他们还发现GBP5信使RNA(mRNA)的水平与PTX半抑制浓度的水平相关。特别是,GBP5水平越高,三阴性乳腺癌细胞对PTX处理的反应性越好。GBP5水平对细胞对PTX敏感性的影响是基于该基因产物驱动的自噬抑制。除了TNFSF13和GBP5外,CHEN等[29]最近还发现了另一种与紫杉醇治疗乳腺癌疗效相关的自噬相关蛋白。他们发现,成红细胞白血病病毒致癌基因B2(v-erb-b2)和受体酪氨酸激酶2(ERBB2)在紫杉醇不敏感的肿瘤细胞中过表达,诱导自噬相关蛋白12(ATG12)依赖的自噬。除了TNFSF13、GBP5和ERBB2,其他先前确定的紫杉醇诱导乳腺癌自噬调节因子是中介复合物亚基19和小鸟苷(GTP)结合蛋白[30]。以上研究都说明了自噬是癌细胞紫杉醇化疗敏感性的关键因素。

根据最新的发现,肿瘤对紫杉醇不敏感也可能是由肿瘤干细胞(CSC)中的自噬诱导引起的。LIAO等[31]发现了葡萄糖调节蛋白78(GRP78)、β-连环蛋白和三磷酸腺苷(ATP)结合盒超家族G成员2(ABCG2)的分子通路,该通路上调乳腺癌干细胞的自噬,从而导致它们对紫杉醇治疗不敏感。紫杉醇也可以通过介导自噬来增强癌细胞的干细胞性。CSC基因表达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细胞中含有膜联蛋白6的外泌体的存在引起的。在紫杉醇不敏感的MCF-7和MDA-MB-231细胞系中敲除膜联蛋白6会导致癌细胞对紫杉醇的敏感性增加。相反,在上述两种细胞中将膜联蛋白6过表达会导致它们对紫杉醇的敏感性降低。

自噬也可以影响由紫杉醇诱导的转移瘤的发展。ZAMORA等[32]探讨了紫杉醇治疗局部晚期乳腺癌转移进展的机制。他们发现紫杉醇可以诱导淋巴管内皮细胞(LEC)的自噬。这些细胞的功能在体外被10 nM PTX抑制,导致皮质肌动蛋白重组和细胞膜收缩。然而,在紫杉醇处理24 h后,LEC的功能恢复。重要的是,紫杉醇可以诱导内皮屏障的破坏,从而促进肿瘤向淋巴结的迁移。这种不良反应可以通过紫杉醇与自噬抑制剂氯喹的联合作用来逆转,这就证实了自噬在乳腺癌治疗期间转移发展中的作用。

目前正在进行的临床试验已经证明了自噬抑制剂氯喹和紫杉醇联合治疗癌症的巨大潜力。然而,由于自噬抑制剂相关化合物的范围十分广泛,已有许多其他基于紫杉醇的抗癌治疗组合被报道。例如,对于乳腺癌的治疗,青蒿琥酯可能是提高紫杉醇疗效的一个较好选择,因为它可以在通过脂质体传递时,降低紫杉醇给药剂量,同时增强其对肿瘤细胞毒性。自噬抑制是紫杉醇耐药的一个常见原因。虽然不同自噬调节剂的生物学机制各有区别,但它们都在不同的自噬阶段发挥作用。现阶段急需在一个模型中比较紫杉醇与具有不同活性的不同化学基团的化合物结合的有效性。目前,紫杉醇诱导的自噬在大多数情况下对癌症治疗不利。

2.2 微管相关蛋白(MAPs)与紫杉醇化疗敏感性

MAPs代表了大量通过与微管相互作用来调节微管动力学的蛋白质。MAPs对微管动力学的失调可能导致对微管靶向药物的敏感性降低,一些研究[33]已经证明了MAPs的异常表达与对紫杉醇的敏感性之间存在相关性。

MAP2/Tau蛋白(包括MAP2、MAP4和Tau蛋白)沿着微管的长轴结合,并通过改变动态行为来稳定它们,从而影响对紫杉醇的敏感性[34]。在许多不同类型的癌症中已经观察到MAP2的过表达。MAP2促进微管蛋白聚合并稳定微管。乳腺癌细胞系中MAP2的升高导致紫杉醇敏感性的增加,基因表达分析显示,在放疗对新辅助紫杉醇获得病理完全应答的患者中,MAP2的表达水平显著升高[35]。这些结果表明,MAP2有可能作为与紫杉醇新辅助治疗应答相关的生物标志物。

MAP4广泛存在于所有类型的细胞中,而MAP4在细胞中的活性受到磷酸化的调控[36]。MAP4的下调或失活可以增加微管的动态变化,从而影响紫杉醇耐药性[37]。先前的研究表明,在C127细胞系中,MAP4受到p53的负调控,导致微管聚合增加,对紫杉醇敏感性增加[38]。综上所述,p53介导的MAP4下调是紫杉醇敏感性降低的潜在机制。

Tau蛋白已被确定为乳腺癌中紫杉烷反应的潜在标志物。Tau蛋白也能结合并稳定微管。当乳腺癌患者接受紫杉醇,5-氟尿嘧啶、阿霉素和环磷酰胺(P/FAC)治疗时,tau表达与治疗反应呈负相关[39]。Tau高表达的her2阳性晚期乳腺癌患者接受紫杉醇和曲妥珠单抗联合化疗的疗效不佳[40]。在另一项对雌激素受体(ER)阳性乳腺癌患者的研究中,高tau mRNA表达表明他莫昔芬具有敏感性,但对紫杉醇的敏感性无影响。然而,低tau mRNA表达表明单独使用他莫昔芬预后不良,低表达的患者可能受益于含紫杉醇的化疗[41]。

2.3 长链非编码RNA(lncRNA)与紫杉醇

LncRNA被认为是癌症中基因表达的重要调控因子。许多lncRNA与癌症的起源和进展有关。lncRNA的异常表达与肿瘤的发生、转移密切相关。此外,lncRNA可以直接或间接调控与化疗敏感性相关的多种途径,如药物外排的改变、细胞凋亡途径的抑制、促进EMT等。

紫杉醇作为一种微管稳定剂,是临床肿瘤学中常用的化疗药物。它会导致肿瘤细胞周期阻滞在G2期和M期,并诱导肿瘤细胞凋亡。在ER阴性的乳腺癌细胞中,发现lncRNA MAPT-AS1通过与tau蛋白(MAPT)的反义配对,与细胞生长、侵袭性和紫杉醇敏感性相关[42]。一些lncRNAs可以通过影响乳腺癌细胞中的ABC外排转运体来介导紫杉醇耐药性。例如,有报道称lncRNA BC032585可能通过顺式或反式调控机制调控MDR1的表达[43]。在MDA-MB-231和MCF-7乳腺癌细胞中使用特异性siRNA敲除lncRNA BC032585导致对阿霉素和阿霉素加紫杉醇治疗的敏感性降低。相反,lncRNA FTH1P3通过靶向miR-206/ABCB1轴来增加ABCB1蛋白的产生[44],从而诱导乳腺癌细胞对紫杉醇敏感性降低。研究发现,Linc00518通过miR-199a/MRP1轴减少紫杉醇诱导的凋亡,降低MCF-7细胞对紫杉醇的敏感性,而Linc00518通过调节miR-199a/MRP1轴增加多药的敏感性。在紫杉醇不敏感的MCF-7细胞中,lncRNA RP11-770J1.3和TMEM25高表达,下调lncRNA RP11-770J1.3和TMEM25可以通过抑制MRP、BCRP和P-gp的表达来增加这些细胞对紫杉醇的敏感性[45]。

在多项研究中,乳腺癌紫杉醇化疗敏感性与细胞周期和凋亡通路相关的lncRNA 有关。Linc00511通过作为ceRNA,通过海绵化miR-29c和增加CDK6的表达[46],从而诱导乳腺癌细胞对紫杉醇不敏感。研究人员发现,lncRNA CASC2在紫杉醇不敏感的临床乳腺癌样本和细胞系中表达增加[46]。紫杉醇诱导CASC2的表达是浓度依赖性的,下调CASC2会增加紫杉醇的毒性,降低半抑制浓度值。研究者进一步阐明了miR-18a-5p/CDK19是CASC2功能的下游靶点[47]。LncRNA UCA1在对紫杉醇不敏感的乳腺癌组织和MCF-7细胞中高表达,进一步证实UCA1通过调控miR-613/CDK12轴介导影响紫杉醇敏感性[48]。与亲本细胞相比,lncRNA和紫杉醇耐药的MDA-MB-231细胞中NEAT1的表达上调,而NEAT1致敏的肿瘤细胞则表达下调。功能研究表明,NEAT1通过调节三阴性乳腺癌细胞中的凋亡和细胞周期进程发挥致癌作用[49]。LncRNA NONHSAT141924通过抑制p-CREB/Bcl-2凋亡途径降低紫杉醇敏感性,过表达lncRNA NONHSAT141924增加乳腺癌中Bcl-2和p-CREB蛋白水平[50]。另一项研究也表明,lncRNA H19可以通过灭活两个关键的促凋亡基因BIK/NOXA来降低乳腺癌对紫杉醇的敏感性[51]。

此外,lncRNA可以影响信号通路或EMT来调节乳腺癌中的紫杉醇敏感性。有研究发现,lncRNA H19在紫杉醇不敏感细胞中的表达水平明显高于紫杉醇敏感细胞[52]。敲除H19 lncRNA可以通过介导AKT信号通路来恢复其化学敏感性[53]。LncRNA DCST1-AS1通过ANXA1促进TGF-β诱导的EMT,降低乳腺癌细胞对阿霉素和紫杉醇的敏感性[54]。同样,linc-ROR被发现通过诱导EMT降低5-氟尿嘧啶和紫杉醇敏感性和增强乳腺癌细胞的侵袭能力[55]。

3 研究的意义与展望

3.1 研究意义

影响乳腺癌紫杉醇化疗敏感性的生物标志物和机制十分复杂,也是一个多因素、多步骤的过程。它既是肿瘤内癌细胞相互作用的结果,也与乳腺癌细胞及其周围环境的作用密切相关。从自噬、微管相关蛋白和长链非编码RNA三个方面综述与乳腺癌中产生紫杉醇敏感性相关的关键基因及相关分子机制,为今后继续深入研究乳腺癌中的紫杉醇敏感性机制和研发相关提高化疗敏感性的潜在可利用药物提供了详细的分子生物学见解。然而由于影响紫杉醇敏感性生物标志物众多,充分了解其作用机制仍是当今人们所面临的一个重要挑战。随着药理学的不断发展,乳腺癌紫杉醇敏感性生物标志物的新机制不断出现,同时,提高化疗敏感性的新方法也逐渐应用于临床治疗。

3.2 展望

目前,大多数乳腺癌的紫杉醇化疗方案仍采用与其他药物联合治疗方案,这不仅可以提高药物的疗效,而且可以有效防止肿瘤对其敏感性降低导致的疗效下降。目前,已开发出许多新型化合物或递送载体,在临床应用中显示出良好的疗效。与此同时,基因工程的兴起吸引了大量的研究人员在遗传水平上研究提高化疗药物敏感性。例如,RNAi技术与基因治疗载体的结合已经显示出了良好的临床应用前景。此外,对肿瘤细胞周围微环境的研究进展为化疗增敏提供了新的治疗方案。肿瘤免疫微环境(TME)的异质性也与乳腺癌的化疗敏感性有关,这表明针对肿瘤免疫影响紫杉醇敏感性的治疗计划将有助于在未来实现个体化的精准治疗。相信随着新的医学理念和技术的发展,乳腺癌紫杉醇化疗可以最大程度提高其治疗乳腺癌的疗效,提高临床治疗效果。