【Nature子刊】破解癌症耐药之谜！费腾团队利用CRISPR揭示靶向策略，重塑化疗新希望！

2024年6月29日，东北大学生命与健康学院费腾团队在期刊《Nature Communications》上发表了题为“CRISPR screens reveal convergent targeting strategies against evolutionarily distinct chemoresistance in cancer”的研究论文。本研究通过关注结直肠癌中的奥沙利铂和伊立替康耐药性，揭示了进化上不同的化疗耐药性，进一步将 PLK4 确定为通过遗传消融或药理学抑制，在各种模型中克服奥沙利铂耐药性的治疗靶点，强调了一种拮抗进化上不同的化疗耐药性的单药策略。

https://www.nature.com/articles/s41467-024-49673-4

研究背景

01

尽管靶向治疗和免疫治疗进展迅速，但使用细胞毒性化学药物破坏快速生长的细胞的化疗，继续在癌症治疗中发挥关键作用。对于许多恶性肿瘤，化疗仍然是首选的治疗方案。在某些不可切除或转移性癌症病例中，化疗可能是唯一的治疗方案。化疗药物更常用于在手术前或手术后，缩小肿瘤或根除残留的癌细胞。此外，通过以序贯或组合方式应用化疗，以及靶向治疗和免疫治疗等其他治疗方式，可以获得增强的治疗效果。然而，化疗的耐药性，仍然是癌症患者治疗失败和疾病复发的主要原因。

尽管有证据表明，几个单独的基因与化疗耐药性有关，但对这种现象的理解仍然不完整，并且仍然缺乏克服化疗耐药性的有效治疗策略。最新的基因组分析和功能基因组学，是实现这一目标的巨大贡献。然而，目前仍然缺乏对实体瘤中广泛使用的化学疗法耐药性的遗传驱动因素和脆弱性的系统描述。

为了填补这一空白，本研究进行了30次全基因组CRISPR敲除筛选，探索7种广泛使用的化疗药物（奥沙利铂、伊立替康、5-氟尿嘧啶、多柔比星、顺铂、多西紫杉醇和紫杉醇）在实体瘤癌细胞中化疗耐药的遗传原因。本研究揭示了化疗耐药性的多样化驱动力和分子特征，提出了可操作的靶向策略，以克服进化上不同的化疗耐药性。

研究进展

02

通过包括CRISPR筛选、多种奥沙利铂耐药模型的细胞和分子表征在内的组合努力，本研究获得了一些关于结直肠癌如何产生奥沙利铂耐药性的初步见解。在敏感细胞中，奥沙利铂-DNA加合物的形成，会产生可被p53感知的DNA损伤。然后，激活的 p53-p21 通路诱导 G1 和 G2/M 细胞周期停滞，从而阻断奥沙利铂敏感细胞的细胞生长。一旦细胞发生某些阻断 p53-p21 通路功能的遗传或表观遗传改变（例如，敲除 TP53、CDKN1A 或 SLC43A2），细胞就会因不受限制的周期进程，对奥沙利铂治疗产生耐药性。本研究结果，支持以细胞周期为中心的理论，作为解释结直肠癌奥沙利铂耐药性的主要机制。当细胞对奥沙利铂产生耐药性时，它们也可能具有某些特殊的脆弱性，这些脆弱性伴随着因果改变。事实上，在存在奥沙利铂诱导的 DNA 损伤的情况下，多个奥沙利铂耐药细胞更依赖于 PLK4 功能来完成细胞分裂。这种脆弱性，为应用单药PLK4靶向药物治疗奥沙利铂耐药结直肠癌，创造了机会。

在人类肿瘤中，PLK4在许多类型的癌症中，经常发生突变，包括结直肠癌。携带突变体PLK4的肿瘤，往往具有较高的肿瘤突变负荷，通常与结直肠癌肿瘤进展的晚期有关。与正常组织相比，在结直肠肿瘤样本中发现， PLK4 的 RNA 表达增加。由于难以获得明确的奥沙利铂耐药临床样本，本研究采用了从结直肠癌患者身上切除的肿瘤组织，并成功建立了7种患者来源的类器官（PDO）模型。这些肿瘤组织中的PLK4蛋白水平，也显著高于匹配的相邻正常对应物。因此，PLK4抑制剂CFI-400945的单药给药，可能是一种有前途的治疗策略，可以克服结直肠癌中奥沙利铂参与的化疗耐药性。

所有7种肿瘤衍生类器官（C-1 至 C-7）响应奥沙利铂（左图：0、1、5、10 和 20 μM 奥沙利铂）或 CFI-400945（右图：0、5、15、20 和 40 nM CFI-400945）的相对活力的反相关模式。

研究结论

03

本研究发现细胞周期的异常变化、DNA损伤反应和肿瘤微环境重塑，代表了基因改变驱动多药耐药性的主要机制，补充了以前关于多药耐药性的理论。对于具有相同作用机制的药物，如多西他赛和紫杉醇，它们的一般耐药机制之间也存在显著差异，尽管主要的遗传驱动因素和功能仍然相同。

因此，使用单一药物，而不是复杂的联合疗法的收敛方案，来克服由多样化的遗传改变，或分子途径引起的化疗耐药性，可能是一种很有前途的策略。

本研究有几个局限性。首先，研究设计侧重于主要由细胞自主效应驱动的化疗耐药性，而涉及肿瘤微环境和细胞-细胞相互作用的其他类型的化疗耐药性则未涵盖。其次，化学基因组筛选仅基于特定细胞系的体外培养为2D单层细胞。3D球体和体内小鼠模型中的进一步筛选，可能会产生更多的发现和见解。第三，本研究中应用了功能丧失的CRISPR筛选。研究的下一阶段应转向碱基编辑筛选，以更好地研究化疗耐药期间的癌症基因突变。第四，本研究优先检查了每种药物的化疗耐药性效应，而药物组合通常用于临床环境，剂量效应也可能影响药物反应。最后，本研究无法充分探索每个化疗耐药基因背后的详细机制。需要作出更多努力来填补这些空白。对这些潜在的生物标志物和治疗干预措施进行全面评估，有望使患有化疗耐药的患者受益。