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2019 年，著名主持人赵忠祥罹患鳞状细胞癌，就医时发现癌症已经扩散，几个月后不幸去世。鳞状细胞癌又名表皮癌，多见于有鳞状上皮（一种上皮组织）覆盖的部位, 包括皮肤，肺，消化系统，生殖系统等等。 多数鳞状细胞癌被及时发现之后，可以通过手术切除治愈。但是，当在癌症晚期出现癌细胞转移时，一般与较差的预后相关。 鳞状细胞癌的复发率接近 10%，复发之后的肿瘤具有一定的侵袭性，因此更加难以治疗。尽管鳞状细胞癌的转移率只有 0.3-3.7%，它的高发生率意味巨大数量的晚期病患， 尤其在免疫缺陷的病人中常见，一旦发生转移就会给患者带来较大影响。 目前，要想对抗这类癌症还有一个未满足的需求，即如何定义和区分良性肿瘤和恶性肿瘤的分子特征，并利用这些差异特征推进癌症预防和治疗。 从良性乳头状瘤进展到晚期鳞状细胞癌，通常被认为是转移级联的初始过程。转移之前的肿瘤细胞会改变其分子和细胞状态，从而侵入周围的间质并进入体循环。这一现象常见于头颈、肺和子宫颈等部位的鳞状细胞癌。  图 | 侵入性肿瘤和其周围血管-示意图（来源：Shaopeng Yuan/ MidJourney AI） 为了防止转移，了解鳞状细胞癌的早期进展至关重要。有研究表明，化学诱变剂只会诱发少数的散发性良性肿瘤，偶尔会进展为鳞状细胞癌。 此前，学界针对人类转移性癌症进行了批量测序，发现了数百个基因突变，进一步支持了“多步诱变”假说。 最近有研究表明，肿瘤可以在仅有少数突变的情况下达到高度恶性的状态。因此存在这样一种可能性，即在肿瘤发生的早期阶段，采用非遗传手段有望推进癌症治疗。 而在当前，在可以塑造肿瘤行为的影响因素中，人体组织微环境的重要性愈发受到关注。人们也发现，微环境可以影响恶性肿瘤的状态。  治癌新手段：以更大的力度干扰肿瘤干细胞 洛克菲勒大学大卫·洛克菲勒生物科学系博士元绍朋（Shaopeng Yuan）所在团队的前期研究已经证明：位于肿瘤-间质界面的鳞状细胞癌，产生于细胞群里的肿瘤干细胞，它们不仅可以增强肿瘤的启动能力，而且能够抵抗化疗和免疫治疗。  图 | 元绍朋/Shaopeng Yuan（来源：The Rockefeller University） 但是，科学家们依然不太清楚的是：在人体健康组织的微环境中，肿瘤干细胞是否可以调控恶性进程？如果可以，其机制是什么？ 为解决这一问题，元绍朋和同事利用实验室此前建立的基因工程小鼠皮肤癌模型，在小鼠子宫内的个体皮肤干细胞里，转导诱导型反式激活因子和 TGBb-报告基因，然后通过激活 HRASG12V 驱动肿瘤发生，从而生成克隆性肿瘤。  GIF 图 | 侵润性鳞状细胞癌免疫荧光 红色：TGBb-NLS-Reporter；绿色：alpha6;蓝色：DAPI（来源：Shaopeng Yuan） 结果发现，这些小鼠的皮肤肿瘤极具异质性，即兼具良性和恶性的浸润区域。这说明在这些混合肿瘤中，包含大量的侵袭性细胞，可以增加对于化疗和免疫治疗的抵抗力。 接着，课题组改变研究策略，在 HRASG12V 激活后立即监测肿瘤发生，并在皮肤干细胞从良性转为恶性时对这一过程进行追踪。  （来源：Nature） 该团队对于侵入性鳞状细胞癌的基底层肿瘤干细胞进行了单细胞 RNA 测序，随后在接收 TGBb 信号的肿瘤基底干细胞中，他们发现了此前未被重视的异质性。 对于这一特征，课题组展开了追溯，并揭示了它出现在 HRASG12V 被激活之后的原因。他们发现如果组织干细胞在肿瘤驱动基因中发生突变，组织干细胞就能启动一条前馈信号通路，从而触发恶性肿瘤的自我传播途径。 接着，他们将这一改进后的肿瘤干细胞特征，与其他肿瘤干细胞特征加以区分。结果发现在肿瘤发生恶性转变时，肿瘤微环境中脉管系统和 TGBb 信号通路出现了峰值。 有趣的是，此时被激活的 43 个鳞状细胞癌干细胞基因中，出现了膜受体 LEPR，它的配体瘦素由脂肪细胞产生，在正常情况下可以通过脉管系统携带到靶组织。  研究中，该团队表明 LEPR 是 TGBb 信号传导的直接靶标，它让致癌基因 RAS 得以重塑肿瘤微环境，从而创造一场“完美风暴”，让新兴肿瘤干细胞内的 LEPR 配体信号得到传导。  （来源：Nature） 反过来，这也会催化干细胞中 PI3K-AKT-mTOR 信号的传导。这说明肿瘤微环境驱动的级联信号通路，对于驱动恶性肿瘤至关重要。 另据悉，LEPR 在乳腺等脂肪组织的癌症中过度表达，它与瘦素过度表达的肥胖小鼠模型中肿瘤发病率的增加有关。  （来源：Nature） 截止目前，LEPR 在非肥胖、非脂肪组织环境中的作用尚未得到彻底的探索。但是，通过非瘦素上调的方式，肥胖会增加肿瘤的易感性，因此探索 LEPR 具有重要意义。 元绍朋表示：“这项研究的'美妙之处’在于，我们专注于研究单个致癌基因对于肿瘤微环境的影响，而不是研究如何通过其他方式引入肿瘤微环境的变化。” 概括来说，此次成果带来了三个新概念： 其一，他们展示了致癌驱动因素 RAS 触发前馈信号通路的原理。 其二，他们发现了此前未被重视的“完美风暴”，该“风暴”由干细胞驱动。 借助触发血管生成的峰值，肿瘤微环境会得到进一步的重塑。反过来又会改变干细胞的行为，从而在肿瘤干细胞上表达新的膜受体，进而利用肿瘤微环境推动下游的癌症通路。 其三，他们为一种可以自我传播的新型非遗传信号级联提供了功能证据，并表明其对于驱动恶性侵袭性癌症具有重要作用。 近日，相关论文以《Ras 通过干细胞与微环境的串扰驱动恶性肿瘤》（Ras drives malignancy through stem cell crosstalk with the microenvironment）为题发在 Nature 上，元绍朋是第一作者，美国洛克菲勒大学哺乳动物细胞生物学和发育实验室教授伊莱恩·福克斯（Elaine Fuchs）担任通讯作者。 图 | 相关论文（来源：Nature） 元绍朋表示，当肿瘤干细胞与微环境处于“不正常的交流”时，TGBb 介导的瘦素受体信号激活、以及 PI3K-AKT-mTOR 轴的激活，都会导致良性肿瘤转恶。 图 | 梗概示意图（来源：Nature） 而肿瘤干细胞是导致化学疗法和免疫疗法失败的主要原因之一，因此如能同时阻断这些不正常的肿瘤干细胞信号，则能对化学疗法和免疫疗法中逃逸的干细胞，起到强大的压制作用。因此，在现有疗法上增加肿瘤干细胞的干扰疗法，将是一个颇具前景的应用方向。 刷新人们对于肿瘤变化的理解 元绍朋说：“此次课题并不是我和导师最初定下的目标。一开始，我们的目标是上皮-间充质转化。这是一个复杂的发育程序，癌细胞可以抑制它的上皮特征，从而让其转为间充质特征。” 这种变化带来的作用是，能让细胞获得移动性，并能让细胞具备从主站点迁移的能力。 但是，他们发现在鳞状细胞癌良转恶的过程中，只发生了一部分的上皮-间充质转化，也就是并没有完全失去上皮特征。基于此，他们打算把研究目标调整为：分析良转恶肿瘤的分子和细胞特征。 通过病理学分析，他们发现在恶性肿瘤样品中，有很多良性病变混杂其中。而在早期恶性肿瘤里，则会出现良性和恶性肿瘤细胞混合的信号。 此前，多数关于鳞状细胞癌的文献都显示，很多肿瘤还停留在良性肿瘤阶段、或者早期混合型的恶性肿瘤阶段。 因此，该团队决定从病理学角度进行定性分类，即针对完全良性的肿瘤、以及完全侵入性的恶性肿瘤进行深度分析，借此发现了一些重要分子和细胞生物学特征。 而当发现 LEPR 这一重要指标时，他们才意识到之前发现的血管生成、以及从免疫细胞而来 TGBb 的信号，都是“大棋局”中的一部分。 图 | 肿瘤干细胞与周围血管交互作用-示意图（来源：Shaopeng Yuan/ MidJourney AI） “研究进行到这里，我们并未停下脚步，也希望了解上游信号的成因，所以我们对于正常干细胞中、处于不同阶段的肿瘤干细胞，进行了表观遗传学分析。结果发现对于病理进程来说，它会和重要的转录因子一起出现在开放型染色质区域里。”元绍朋说。 尤其值得注意的是，在正常的皮肤干细胞里，LEPR 是一个完全不表达的基因。然而，随着鳞状细胞癌的进展，与 LEPR 相关的一个染色质区域也在慢慢开放。 研究中，课题组使用病毒载体，标记了肿瘤的侵入前线细胞。通过此他们发现，上游内部信号 Ras 所导致的转录因子可以打开染色质，而外部信号 TGBb 则能让 Smad 蛋白进入开放染色质。 元绍朋说：“以前我们一般认为，外部细胞和癌症细胞只会在微环境进行交流和单循环。但是本次研究证明：当内外信号和干细胞在癌症微环境里交流时，也能产生肿瘤良转恶的现象。而在此前认知中，人们一般认为只有出现大量基因变异时才会导致这种现象。”因此，该研究刷新了人们对于肿瘤进展的理解。 接下来，需要进一步了解瘦素受体如何在细胞信号学上达成上述作用。此前，神经科学和代谢科学的学者们已经发现，该受体的下游信号，尤其是 STAT3 信号，可以催生大量的通路激活。 但是，该团队发现 STAT3 在良性肿瘤阶段就已经激被活，而且不一定和 LEPR 有关。 为此，他们进行了大量的测序分析和通路分析，结果发现在小鼠模型中，瘦素受体借助 PI3K-AKT 通路作用，让病理进程发生了变化。 （来源：Nature） 最后，课题组加了抑制剂的小鼠实验，证明瘦素受体通过 TGBb-LEPR-PI3K-AKT-mTOR 通路，实现了肿瘤的良转恶。 师从四院院士，7 年“长征”幸获导师无条件支持 元绍朋表示：“研究中，我们使用 Smartseq2 进行了单细胞 RNA 测序。论文第二作者 Katie Steward 博士和我讨论之后，我们决定放弃使用 10X scRNAseq，主要原因是瘦素受体的表达并不是很高。为了防止漏掉信号，我们选择使用 SmartSeq2 技术。” 这也意味着，至少需要 1200 个细胞才能起作用。最初元绍朋并没有在意，到了做实验时才发觉大部分此类实验只有 100-300 个细胞，而且还得手动操作实验。 为此，他们只好准备 24 个 96 孔 PCR 盘，每天操作实验两个小时，直到三个月后才得到了scRNAseq 数据库。 “很多同事都对我们如此苦力般的实验露出了苦笑。S. Martina Parigi 博士是一个非常谨慎的人，经常对实验结果'忧心忡忡’。她提议要对 PI3K 抑制剂肿瘤小鼠实验进行双盲设计。那阵子，她每天都通过食管给小鼠注入药剂和安慰剂，而做肿瘤测量的我则在动物实验室慢慢等待。”元绍朋说。 在如此严谨的实验之下，他们证明了所提假设中的通路不仅重要，而且具备用于转换医学的潜力。 元绍朋继续说道：“另一位论文作者 Merve Deniz Abdusselamoglu 博士负责了大量的免疫荧光实验。但是，在编撰论文时她却曾推辞共同作者，这种谦逊的态度非常少见。还有一位论文作者 Yihao Yang 是我的好友和合作伙伴，他不仅提供了专业的表面基因学分析，也对论文严谨性提供了支持。他经常一边笑我作为生物学者却不会用 Illustrator，一边把替我把图文处理得很漂亮。在此也向他们表示感谢。” （来源：The Rockefeller University） 另外，这项工作历时 7 年，不仅耗费了大量资源，而且很多开创性实验的风险也很高。但是，元绍朋的导师伊莱恩·福克斯教授颇有前瞻眼光，即便一时看不到前景，也给予了无条件的支持。 伊莱恩是洛克菲勒大学哺乳动物细胞生物学与发育实验室负责人，以基于哺乳动物皮肤和皮肤疾病的细胞生物学和干细胞分子机制研究而知名。她是美国文理科学院、美国国家科学院、美国国家医学院、以及罗马宗座科学院的“四院院士”，同时也是英国皇家学会的外籍会士。 图 | Fuchs Laboratory（来源：Yihao Yang） 另据悉，元绍朋博士毕业于加州大学伯克利分校生物工程系和洛克菲勒大学大卫·洛克菲勒生物科学系研究生项目，目前他是美国癌症研究协会和美国科学促进会的会员。接下来，如何阻断癌症干细胞和微环境的交流，将是他下一步的研究重点。 参考资料： 1.Yuan, S. et al. Ras drives malignancy through stem cell crosstalk with the microenvironment. Nature 612, 555–563 (2022). https:///10.1038/s41586-022-05475-6 2.Senft, D. Leptin fuels non-genetic skin tumour progression. Nat Rev Cancer 23, 56 (2023). https:///10.1038/s41568-023-00548-8 3.RAS Drives Malignancy through Altered Stem Cell/Microenvironment 2022 Dec 16, OF1. https:///10.1158/2159-8290.CD-RW2022-217
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