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南科大化学系田瑞军课题组在《自然》联合发表文章 整合蛋白质组学助力“癌症之王”的精准诊疗

2019-04-18 科研新闻

        2019年4月17日,国际顶级学术期刊Nature报道了南方科技大学化学系副教授田瑞军团队与美国Salk研究所Tony Hunter院士团队针对胰腺癌的功能蛋白质组学研究工作。该研究成果以“Targeting LIF-mediated paracrine interaction for pancreatic cancer therapy and monitoring”为题在Nature发表。田瑞军为文章的共同通讯作者。化学系博士后高伟娜、首届博士生黄培武和化学系博士后袁枭分别为文章的并列第二、第四和第五作者。南方科技大学第一附属医院癌症研究所所长许瑞莲为本文的共同作者。

        胰腺癌是恶性程度最高的肿瘤之一,因其最低的存活率和极短的生存期而被称为“癌症之王”。胰腺癌早期缺乏特异性的症状,通常被确诊时已经进入中晚期,且大部分已发生转移扩散。另外,晚期胰腺癌对化疗药物有很强的耐受性,而且对放射治疗不敏感,目前胰腺癌的治疗效果都难尽如人意。因此,开发有效的靶向性药物和用于早期检测的高灵敏度的生物标志物被视为攻克这种恶性肿瘤的潜在有效途径,并成为业内科学家努力的方向。

        胰腺癌的一大显著病理特征是其特殊的肿瘤微环境,即胰腺癌细胞(pancreatic cancer cell, PCC)被极大量的间质细胞及其分泌的胞间基质所包裹。这些间质细胞形成厚厚的“保护屏障”,既保护癌细胞免受化疗药物和免疫监控的攻击,从而产生严重的耐药性;同时又掩盖了很多癌细胞的信号和生理副反应,从而大大减弱了其生理性症状,增加了疾病的检测难度。胰腺肿瘤微环境的间质细胞层主要由星状细胞(pancreatic stellate cell,PSC)组成,其在晚期胰腺肿瘤中的占比可高达90%。星状细胞的激活始于胰腺癌发生的早期,故而潜在地可以为临床检测提供灵敏且丰富的蛋白因子。尽管星状细胞与癌细胞间相互作用的重要性已被证实,但是具有显著生理性功能的介导这一胞间通讯的分泌因子尚未被发现。

        在本项合作研究中,研究者们发现了介导胰腺癌细胞和星状细胞之间信号转导的关键因子白血病抑制因子(Leukemia inhibitory factor, LIF),并系统地验证了其作为胰腺癌治疗靶点和生物标志物的可行性。

        研究者首先开发了应用于研究肿瘤微环境中细胞间信号转导的整合蛋白质组学分析策略,通过系统性地集成磷酸化蛋白质组学、分泌蛋白质组学和蛋白相互作用组学策略,对源于星状细胞的分泌因子及其作用于癌细胞引起的胞内信号转导通路的变化进行了系统地解析,从而发现了转录因子STAT3的磷酸化激活是癌细胞内最显著的分子变化,而星状细胞分泌的LIF是导致这一分子事件的最关键旁分泌因子,通过作用于癌细胞表面的LIFR-GP130受体膜蛋白复合物来介导星状细胞到癌细胞的单向胞间信号转导。


整合蛋白质组学分析策略及白血病抑制因子LIF的发现

        为了准确地评估LIF在胰腺肿瘤微环境中的生理功效,研究者在胰腺癌KPC小鼠模型中通过遗传学手段选择性敲除LIF的受体膜蛋白LIFR以阻断LIF对癌细胞的潜在效应,这种方式可以减缓胰腺肿瘤的恶性发展从而延长小鼠的存活时间,并可增强化疗药吉西他滨Gem 的疗效。研究者进一步开发了针对LIF的特异性拮抗性单克隆抗体,结合吉西他滨或进一步联合白蛋白紫杉醇及顺铂疗法,同样可以显著地延长KPC小鼠的存活。上述疗效的主要分子机制是调节癌细胞的分化和具有强耐药性的肿瘤干细胞的状态转化。


胰腺癌动物模型研究验证LIF的生理功效及其拮抗性单克隆抗体的疗效

        更为重要的是,通过采用多中心(中国和美国)和多种类型检测手段(靶向性质谱和高灵敏度ELISA)相结合的方式,研究者对大量临床组织样品的定量分析发现LIF在胰腺肿瘤组织中特异性高表达,并且与其他常见实体瘤相比,LIF的癌特异性高表达具有明显的胰腺癌特异性。相关性分析表明,LIF在胰腺肿瘤组织中的表达量与病人的病理状况,特别是分化状态及生存期紧密相关。同时,病人血液中的LIF变化水平与药理反应的病理分析结果高度一致,由此证明其作为胰腺癌生物标志物的可行性。


中美多中心、多检测手段验证LIF为胰腺癌生物标志物

        总之,这些发现揭示了LIF在胰腺肿瘤发生中的重要生物学功能,并且表明其成为有效的治疗靶标以及肿瘤诊断标志物的光明前景。基于该项研究所开发的整合蛋白质组学分析策略,为更好地理解肿瘤微环境中的细胞间信号转导网络提供了新颖的系统水平研究工具,为探寻胰腺癌治疗和诊断的分子靶标提供了重要可靠的线索。

        基于本研究发现的LIF在胰腺癌中的关键性作用,加拿大Northern Biologics公司将胰腺癌纳入其anti-LIF·I期临床试验中,并将胰腺癌作为重点适用病症进行测试。

        正如本研究的资深作者、在探索癌症机理的研究中取得丰硕成果的Tony Hunter所述,在其50多年的科研生涯中,这是他领导的最接近临床转化应用的一项研究;而且在短短数年间完成了从最初的盲筛到I期临床试验的开展,令他感到既兴奋又充满期待。


LIF在胰腺癌肿瘤微环境中的分子作用机制

        田瑞军课题组在过去五年时间里,开发了一系列新的生物质谱和蛋白质组学分析新策略(PNAS, 2015, 112, E1594; PNAS, 2018, 115, E8863; Anal. Chem., 2018, 90, 5879; Anal. Chem., 2018, 90, 12574; Anal. Chem., 2017, 89, 9407; Anal. Chem., 2016, 88, 4864),并在创新药物发现、癌症靶点和标志物开发、肠道微菌群宏蛋白质组分析和干细胞蛋白质组分析等方面实现了系统地应用。

        本研究工作受到国家科技部重点研发专项、国家自然科学基金委面上项目、广东省自然科学基金团队项目、深圳市科创委学科布局项目、南方科技大学启动经费等的大力支持。南方科技大学第一附属医院给予本工作临床样品的支持。

 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1130-6

国内外媒体新闻报道链接:

美国LUSTGARTEN FOUNDATION(美国最大的私人胰腺癌资助基金):

https://standuptocancer.org/press/key-protein-a-possible-new-target-in-the-treatment-of-pancreatic-cancer

美国Salk研究所(美国合作研究机构):

https://www.salk.edu/news-release/new-study-targets-achilles-heel-of-pancreatic-cancer-with-promising-results

美国TGen(anti-LIF临床试验医院):

https://www.tgen.org/news/2019/april/17/tgen-contributes-to-pancreatic-cancer-study-in-nature/

EurekAlert (American Association for the Advancement of Science, AAAS):

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-04/si-nst041619.php

中国BioArt:https://mp.weixin.qq.com/s/48QeLYvCbTk91Z3DGAqZ0w

 

供稿:化学系

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