生物谷專訪李健健:腫瘤放療的分子機理和腫瘤異質性

編者按：腫瘤放射治療是利用放射線治療腫瘤的一種局部治療方法,大約70%的癌症患者在治療癌症的過程中需要用放射治療，目前已成為治療惡性腫瘤的主要手段之一。

本次生物谷有幸採訪到了來自加州大學戴維斯分校癌症中心轉化醫學系的李健健主任。李教授從事放射腫瘤生物學研究近30年，是國際分子放射腫瘤生物學研究領域的開創者之一。在4月22日，由生物谷主辦的「2016 腫瘤異質性學術研討會」上，李教授還將發表題為 Tumor heterogeneity and bioenergetics in cancer radiotherapy 的主題演講，令人萬分期待。

李健健教授長期從事細胞/組織應激反應的分子機制和信號傳導、線粒體功能在多種癌症放射治療中作用以及放射耐受腫瘤細胞和幹細胞樣腫瘤細胞放療反應及成像方面研究，本次採訪中李教授詳細回答了生物谷記著的提問，並結合自己的研究進展，對腫瘤放療的分子機理和腫瘤異質性相關問題做出了解答。

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生物谷：李教授您好，您從事放射腫瘤生物學研究近30年， 是分子放射腫瘤生物學研究領域的開創者之一。我們知道紫外線照射過度會誘發黑色素瘤——一種惡性皮膚癌，而且在國外發病率很高，您在這方面有什麼研究進展嗎？ 現在FDA已批准了來自默克公司Keytruda和來自百時美施貴寶公司Opdivo用於黑色素瘤的臨床治療，二者都是PD-1 的抗體，但是藥物反應率只有20-40%， 您怎麼看這個問題，是腫瘤異質性導致的嗎？

回答：就目前我們對腫瘤發病機制和治療藥物和方案的研究來看，任何抗腫瘤藥物在實際臨床運用中能夠達到20-40%的應答反饋已經是一個非常了不起的成績，也有力說明其對腫瘤的治療效果。

探索進一步提高PD-1或者其他類似免疫治療藥物的臨床免疫應答將是一項甚為艱巨的挑戰，但並不是說事已至此，我們無能為力。

如果能夠將腫瘤的治療和宿主以及整個機體的代謝系統聯繫起來，類似於運用祖國醫學中始終強調的"整體觀"和"天人合一"理論，進一步提高PD-1的抗體對宿主腫瘤細胞的免疫應答能力是非常有希望的。同時就腫瘤細胞自身而言，我認為是一個不斷變化和異質性"社會群體"，為了生存，腫瘤細胞發揮一切潛能尋找各種機會條件"垂死掙扎"甚至極其頑強的存活下來。因此，臨床在使用PD-1抗體免疫治療同時還應加強對個體腫瘤細胞表面抗原突變的動態免疫監控.

目前我的科研團隊主要從事放射線對不同正常和腫瘤細胞的適應性反應，我們發現低水平的紫外線照射可以增強細胞內穩態機制的調節作用，從而提高細胞應對不同氧化應激損傷的能力。

生物谷：您對信號通路研究的比較深入， 尤其是輻射與NF-kB信號通路。對於NF-kB抑制劑 有文獻報導在放療中有增敏效果，但同時電離輻射會激活NF-kB進而促使腫瘤細胞生長. 另外由於低劑量放射也會引起周圍正常細胞的DNA雙鏈斷裂（double-strand breaks，DSBs）。 您怎麼看NF-kB在腫瘤放療中的作用以及如何參與DNA損傷修復的？

回答：NF-kB 是一種非特異性的轉錄因子， 可以被一系列內源性和外源性刺激因素激活然後介導數以百計的目的基因的表達和調控。類似於我們的研究，不同劑量的放射線都會介導NF-kB的活性增高，明顯提高腫瘤細胞內穩態調節蛋白的合成和DNA修復能力的提高，從而構成一個堅固的放射抵抗防護體系，我們主要的研究主要是明確放射線對腫瘤細胞NF-kB生物活性的影響從而尋找對腫瘤放射和基因治療特異高效的生物學靶標。

生物谷：線粒體MKP-1 是您發現的治療HER-2 陽性乳腺癌細胞的靶點， 您能簡要談談您是怎麼發現的嗎？它和NF-kB 信號通路有關聯嗎？

回答：這項研究成果是我們近期在對腫瘤細胞線粒體能量代謝和放射抵抗惡性增殖的研究中得到的。

1924年德國著名生物學家Otto H. Warburg 首次提出各種腫瘤細胞即使在有氧的環境下也傾向通過糖酵解形式為自身代謝和高速增殖提供能量。而我們經過大量的體內外實驗發現，腫瘤細胞快速增長時，其線粒體氧化呼吸作用也是非常活躍的。放射治療後存活的腫瘤細胞線粒體能量代謝明顯增高。線粒體能量代謝的動態調整表明腫瘤細胞應對如放射等遺傳基因毒性幹預產生的多元性潛能。近期又有科學家發現惡性乳腺癌幹細胞內存在大量線粒體聚集的現象。因此，線粒體的能量代謝在腫瘤細胞的異質性中起到動態調節的作用。

鑑於線粒體穩態及能量代謝在腫瘤異質性及發射治療抵抗中的突出作用，我們對發射治療前後不同腫瘤細胞內湧入線粒體內參與穩態調節的蛋白展開了"地毯式"的篩查以求探明"真兇"。其中HER2/ERK/MKP1通路就是其中重要的病理環節之一。而根據我們前期的重要研究發現免疫治療可以誘導耐受的乳腺癌細胞內NF-kB與細胞核內HER2和MKP-1基因的啟動子結合，從而增加二者在乳腺癌放射耐受細胞的表達，而HER2的活化又會使MKP-1磷酸化並進入線粒體，異質凋亡誘導基因JNK的磷酸化，從而抑制HER2陽性的乳腺癌放射耐受細胞凋亡的發生。

當然目前我們在談及以線粒體為治療靶點的腫瘤異質性研究時，絕不會再以腫瘤細胞線粒體損傷介導的凋亡為主要的探討話題，發生在線粒體內不同能量代謝環節的自由調節和轉換，以及通過自噬清除"病態"線粒體從而使腫瘤細胞存活的現象越來越引起我們的關注，相關研究也在緊鑼密鼓的籌劃和進行中，希望有所突破和收穫。

生物谷：我們知道人體內超氧化物歧化酶中最重要的就是錳超氧化物歧化酶(MnSOD)。大量研究已證實MnSOD與腫瘤細胞生長、分化、侵襲及耐藥等多種生物學行為關係密切。但MnSOD在腫瘤細胞中的表達報導不一。普遍認為MnSOD在大多數腫瘤細胞中活性減弱，但其在卵巢癌細胞中活性增強， 您在您研究的腫瘤中MnSOD的作用是怎樣的？另外由於天然MnSOD分子量大、體內半衰期短、不易透過細胞膜、穩定性差等原因，使其藥用價值受到了極大的限制。近年來運用MnSOD化學模擬物來替代天然MnSOD成為研究熱點。您在這方面有嘗試嗎？

回答：MnSOD是線粒體重要的抗氧化酶，主要負責清楚因細胞代謝或者外周環境和放射治療引起的氧自由基的蓄積，其在線粒體Redox平衡中起到至關重要的作用。

我們前期研究的重點和突破主要集中在將腫瘤細胞增殖周期與線粒體Redox平衡和能量代謝聯繫起來，進一步闡明腫瘤細胞對放射治療適應性的生物學機制。我們發現發生可以誘導腫瘤細胞周期調節蛋白CDK1和CDK4的活化，從而移位至線粒體基質使MnSOD磷酸化，使MnSOD空間聚合形成具有生物活性的四聚體，從而清除線粒體內多種來源的氧自由基蓄積，調節線粒體的生物穩態。

同時，我們也發現活化的CDK1進入線粒體後同樣可以使基質中SIRT3磷酸化從而使MnSOD發生去乙醯化，間接增加MnSOD的生物活性。同時，發生幹預會介導腫瘤細胞NF-kB增加，從而促進細胞核SIRT3基因的轉錄和翻譯，從而增加線粒體內SIRT3含量，增強腫瘤細胞放射抵抗能力。

生物谷：我們了解到您也做過基因治療和分子生物學雜誌(Gene Therapy and Molecular Biology)的編審，這幾年基因編輯技術特別熱，您實驗室有用到CRISPR技術嗎？對這一技術有何評價？

回答：CRISPR從2012年首次提出到現在發展成為人人都想嘗試的"特斯拉"遠不到三年的時間，這充分說明當代科學研究的共通性和趨同性，掌握核心技術和創新的科學論點是所有科學工作者成功的基石和保證。

據我所知目前國內很多實驗室已將該項技術的應用上升到世界水平，誠然欣慰。我的科研團隊是從去年中旬開始著手嘗試運用此項技術圍繞腫瘤異質性相關課題進行研究的，目前主要是對特異性在線粒體內表達生物活性的蛋白特殊位點進行編輯和剪切，在體外實驗水平進性研究腫瘤線粒體能量代謝的變化。

相比較傳統基因修飾和轉染技術，CRISPR在基因修飾的針對性，特異性，穩定性和轉染效率上都有不同程度的改善和提高，但針對那些同時在胞漿和線粒體均存在的蛋白我們還未成功通過CRISPR讓目的蛋白在線粒體內定位表達或抑制。同時我們都知道即使在當今如此先進的實驗條件下，試圖修飾上億年高度進化的生物體的DNA鹼基序列也絕非易事，這是因為真核細胞的基因組可以根據周圍環境和內外理化刺激進行高度自由的修復和適應，因此如何通過CRISPR技術對基因組進行穩定修飾也是我們目前亟待攻克的技術難題。此次有幸參會我也希望與相關與會專家進行深度探討以求答疑解惑。

生物谷：能否為我們簡單介紹一下腫瘤能量代謝在腫瘤治療中的作用和意義？

回答：目前我們最關注的問題是腫瘤細胞是如何在各種惡劣環境下（如我們前面提到的免疫治療，放射治療以及基因治療等）存活下來的。

對於哺乳動物細胞來說，線粒體內能量代謝的中間產物是生物大分子物質合成必需的， 例如合成核苷酸，脂肪和葡萄糖。而且線粒體是信號通路激活的重要細胞器。大量證據表明，線粒體的生物能量代謝，生物物質合成和信號通路是腫瘤形成所必需的。在腫瘤線粒體研究的發展史上，我之前提過，線粒體被認為是"廢棄的火電站"其能量代謝被認為在快速增長的腫瘤細胞中是不需要的。甚至在有氧的條件下腫瘤細胞也傾向採用糖酵解獲得能量，這就是所謂的"Otto Warburg效應"。

但從上個世紀五十年代起日益跟進的科學研究發現並證實：大多數腫瘤細胞中線粒體功能很正常且結構完整，依然是腫瘤細胞能量產生的主要場所。尤其是在異質性腫瘤分化、腫瘤細化療、放射治療等應激時，線粒體是腫瘤細胞供能的主要場所。

我們新近的研究進一步表明：線粒體的能量代謝重構是腫瘤細胞放射治療抵抗的重要標誌。通過抑制線粒體的能量代謝是治療腫瘤的一種新手段，並可以與其它臨床一線抗癌方案結合有效延緩腫瘤細胞的惡性增殖。

另外由於線粒體因為可以調控凋亡、自噬，線粒體的能量代謝的核心環節，也由此成為腫瘤治療的重要靶點。

在使用抗線粒體能量代謝治療腫瘤時，必須注意：1 對正常組織的毒性一定要小；2 藥物即能夠穿過細胞膜，又能穿過線粒體的雙層膜。3 線粒體在腫瘤形成中作用需要有進步闡明，以免抑制線粒體功能導致腫瘤形成，或促進惡化、轉移等。目前常常是抗線粒體能量代謝聯合其他多種抗腫瘤治療手段。

（生物谷Bioon.com）

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李健健   教授\主任

加州大學戴維斯分校癌症中心轉化醫學系

李健健教授，美國加州戴維斯分校放射腫瘤學系終身教授，癌症中心轉化醫學項目主任。從事放射腫瘤生物學研究近30年，是國際分子放射腫瘤生物學研究領域的開創者之一。 作為美國"腫瘤放療反應分子機制研究"的領軍人才，成功建立了由多領域、多學科的合作研究模式組成的分子放射腫瘤生物學研究平臺。在促進分子生物學和放射腫瘤生物學的發展和腫瘤放射治療的信號傳導研究上做出了突出貢獻。李健健教授長期從事細胞/組織應激反應的分子機制和信號傳導、線粒體功能在多種癌症放射治療中作用以及放射耐受腫瘤細胞和幹細胞樣腫瘤細胞放療反應及成像方面研究.發表相關論文（第一作者/通訊作者）90餘篇，其中高水平論文（IF>5.0）30餘篇，獲得多項基金項目和獎勵，並先後擔任《Gene Therapy and Molecular Biology》，《Cell Research》，《International Journal of Cancer Research》，《International Journal of Clinical》、《Experimental Pathology》、《BMC Medical Physics》、《PLOS ONE》、《Radiation Research》以及《Int. J. Radiat Biol.》等生命科學領域雜誌編委，中國國家自然科學基金重點項目以及美國國立衛生研究院、國家腫瘤研究所（放射治療與放射生物學部）等基金評委。

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會議詳情： http://www.bioon.com/z/2016tumor/