客户案例 | IF 12!上海东方医院研究团队揭示靶向肿瘤代谢重编程改善食管鳞癌顺铂耐药的新途径

2023-05-22 10:28:17, 麦特绘谱 麦特绘谱生物科技(上海)有限公司



食管鳞状细胞癌(OSCC)作为食道癌最常见的亚型(84%),仍然是全球肿瘤死亡的主要原因。东亚特别是中国的OSCC具有较高的发病率。由于缺乏典型的临床症状和早期诊断技术,许多OSCC患者被诊断为晚期,不得不接受以顺铂(DPP)为基础的化疗,但其高耐药率限制了临床应用疗效,其源头机制尚不清楚。本研究的目的是阐明信号传递和代谢异常在食管鳞癌耐药中的作用,寻找提高顺铂化疗敏感性的靶向药物。


2023年3月,同济大学附属东方医院的徐美东教授与团队在Journal of Experimental & Clinical Cancer Research (IF=12.658)期刊上发表题为“Targeting IGF1R signaling enhances the sensitivity of cisplatin by inhibiting proline and arginine metabolism in oesophageal squamous cell carcinoma under hypoxia”的文章,该研究揭示了通过IGF1R途径上调ASS1和PYCR1的表达,靶向精氨酸和脯氨酸代谢,促进OSCC对DDP的耐药,提示靶向IGF1R信号转导的Linsitinib可能为DPP耐药的OSCC患者提供有前景的联合治疗选择。(麦特绘谱提供Q300全定量代谢组检测服务)







OSCC患者IGF1R的表达在DDP耐药中的作用


研究者通过转录组测序(RNA-seq)、肿瘤基因组图谱(TCGA)数据库、免疫组织化学(IHC)、实时定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)和免疫印迹(WB)检测食管鳞癌组织中上调基因的表达。分析发现食管鳞癌组织中胰岛素样生长因子-I受体(IGF1R)表达差异最显著,并且高表达水平的IGF1R与肿瘤进程和预后差呈正相关,与缺氧条件下DDP抵抗有关。


随后通过干扰IGF1R的表达探究其异常表达在DDP耐药中的作用,体内体外实验均发现了适度抑制OSCC增殖的能力。使用linsitinib联合DDP对OSCC细胞的增殖具有协同抑制作用,这些协同效应在体外和体内也得到了体现。总的来说,抑制IGF1R的表达可显著提高OSCC细胞对DDP的敏感性。


图1. 体内和体外抑制IGF1R可增强OSCC在对DDP的敏感性






耐药机制探讨


代谢适应有助于癌细胞在缺氧微环境中的发育。接下来,通过整合代谢组学和基因组学分析,旨在找到缺氧条件下活化的代谢酶。一方面,在缺氧条件下,精氨酸琥珀酸合成酶1(ASS1,精氨酸代谢关键酶)和吡咯烷-5-羧酸还原酶1(PYCR1,负责脯氨酸合成)在肿瘤组织和细胞系中均有高表达。另一方面,代谢组学分析(Q300全定量代谢组技术)在细胞系中发现了45种异常积累的代谢物,通路分析显示TCA循环和FAO被抑制,而糖酵解增强,这可能是缺氧导致ATP生成的稳态机制;另外,天冬氨酸-精氨酸-脯氨酸代谢也得到增强。该团队此前研究天冬酰胺合成酶(ASNS),发现在OSCC中存在异常的天冬氨酸代谢,因此,本研究主要关注通过ASS1和PYCR1改变精氨酸/脯氨酸代谢。


首先发现ASS1和PYCR1在OSCC细胞系中表达最高,这与IGF1R一致,缺氧也以时间依赖性的方式刺激了这两种酶的表达。此外,与癌旁组织相比,OSCC患者组织中ASS1/PYCR1蛋白表达上调,临床上ASS1/PYCR1的高表达与肿瘤分期以及OSCC患者的无进展生存期相关,并且ASS1和PYCR1的表达与IGF1R呈正相关。那么ASS1和PYCR1是否受IGF1R的调控?


图2. OSCC中代谢酶ASS1和PYCR1上调


进一步探究IGF1R调控ASS1和PYCR1表达的机制,通过体内体外抑制IGF1R的表达,发现ASS1/PYCR1均下调。信号通路分析发现,Ras/MAPK通路(促进多种细胞功能)和JAK/STAT通路的磷酸化水平显著降低。此外,JAK和ERK1/2的下调伴随着ASS1/PYCR1表达的降低,证实IGF1R通过这两条信号通路调控ASS1/PYCR1进一步确定这些转录因子(TFs)在缺氧时调节肿瘤代谢中的作用,发现只有磷酸化的c-MYC与ASS1/PYCR1通路和IGF1R通路有明确的调节关系。因此,缺氧条件下ASS1和PYCR1的表达改变是由IGF1R信号通路--c-MYC轴诱导的。


图3. IGF1R通过其信号通路- c- MYC轴在缺氧条件下调控ASS1和PYCR1的表达






靶向精氨酸代谢/脯氨酸代谢的作用


为了进一步研究ASS1和PYCR1增强在DDP耐药中的作用,通过干扰ASS1和PYCR1的表达,观察到在体外和体内的增殖能力受到轻微抑制。与IGF1R抑制剂linsitinib的作用一致,shASS1/PYCR1在体外和体内均表现出与DDP协同抑制肿瘤增殖的作用。


利用代谢组学分析ASS1和PYCR1在代谢重编程中的作用,ASS1和PYCR1抑制诱导的异常与精氨酸/脯氨酸代谢密切相关。更具体地说,shRNA-PYCR1细胞中的脯氨酸水平降低,shRNA-ASS1细胞中的精氨酸水平降低。此外,与对照组(control+DDP)相比,补充外源精氨酸后shASS1 + DDP或linsitinib + DDP被抑制的增殖能力得到部分恢复。这些数据表明,IGF1R在缺氧条件下通过调节ASS1促进精氨酸代谢,导致精氨酸积累,作为维持化疗期间增殖能力的生物合成前体。


然而,外源脯氨酸在shPYCR1 + DDP或linsitinib + DDP组中未能挽救增殖,说明增强的脯氨酸代谢可能以其他方式促进肿瘤细胞对DDP的抵抗,而不是脯氨酸的积累。


已有研究证实,PYCR1催化脯氨酸合成伴随着NAD+的生物合成,在维持氧化还原平衡中起着关键作用。理论上,低氧对TCA循环的损害不仅会导致ATP生成减少,还会导致多种中间代谢物在TCA循环中的积累减少,从而抑制合成代谢前体的合成,最终抑制细胞增殖。那么通过PYCR1增强脯氨酸代谢的NAD+是否补偿了TCA循环?结果正如预期,PYCR1表达的减弱抑制了NAD+水平。最后,在DDP+shPYCR1中添加外源性丙酮酸,逆转了shPYCR1+DDP对细胞增殖的抑制作用。因此,IGF1R通过调节PYCR1促进脯氨酸代谢,提供足够的NAD+维持TCA循环中的氧化还原平衡,最终造成化疗期间的细胞增殖,靶向IGF1R信号通路可逆转其影响。


图4. 低氧条件下IGF1R通过靶向的精氨酸和脯氨酸代谢降低OSCC细胞对DDP的敏感性






小结


本研究发现激活的IGF1R通路在低氧微环境下的OSCC化疗耐药中发挥重要作用。临床上,IGF1R表达增强与OSCC患者肿瘤分期高、预后差相关,其抑制剂linsitinib在体内和体外均与DDP治疗有协同作用。由于缺氧常导致代谢重编程,研究人员通过代谢组学分析进一步了解到,异常的IGF1R通路通过c-MYC的转录活性促进代谢酶ASS1和PYCR1的表达。具体而言,ASS1的表达增强促进精氨酸代谢以进行生物合成代谢,而PYCR1则激活脯氨酸代谢以维持氧化还原平衡。最终,异常信号传递结合代谢重编程导致DDP耐药性。因此,靶向IGF1R通路及相关代谢改变可能改善DDP在OSCC中的治疗效果,或可成为一种基于DDP的更有效的化疗新策略。


图5. 本研究图解总结


参考文献



Kang Fang et al. Targeting IGF1R signaling enhances the sensitivity of cisplatin by inhibiting proline and arginine metabolism in oesophageal squamous cell carcinoma under hypoxia. J Exp Clin Cancer Res. 2023 Mar 28;42 (1):73.


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麦特绘谱生物科技(上海)有限公司(Metabo-Profile)汇聚了从事代谢组学和转化医学研究近二十年的海内外专家团队,专注于精准医学和健康领域的高端代谢组学技术服务,是一家集科技服务、健康检测及产品研发于一体的国家级高新技术企业、上海市“专精特新”企业,已成为全球代谢组学研究者的优选合作伙伴。公司拥有自建1500+功能性小分子代谢物数据库JiaLibTM、国际领先的代谢组学分析技术平台和全自动化TMBQ定量数据处理软件、代谢组学数据在线分析平台iMAP。麦特绘谱已为数百家三甲医院、科研院所和企业提供高端代谢组学一站式整体解决方案,协助客户与合作伙伴发表SCI文章300+篇,累计影响因子3000+,包括Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Signal Transduction and Targeted Therapy, Science Translational Medicine等顶级期刊。



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