你說,癌細胞如何招兵又買馬? 2019-11-04

作者 駱宛琳 博士

 

所謂古有孟母三遷傳為佳話:孟母為了要讓孟子能夠時時處處、每偶遇三人裡必有我師,花了好大一番功夫仔仔細細地為孟子擇鄰處。哎,那你說,癌細胞之所以變壞又難纏,是不是少了一位「癌之孟母」呢?

 

姑且不論這類比有蘋果比橘子之不倫不類之嫌,癌細胞在生成、惡化的過程裡,周圍的生理環境的確也扮演著關鍵的角色。周遭環境不僅影響癌細胞,癌細胞也會影響周遭的環境。彼此之間相互影響,完全就是周瑜打黃蓋,之間的糾葛科學家也難斷。

 

但既然事關重大,再難斷的糾葛,也還是得細細思量。近年來,科學家對腫廇裡微環境——tumor microenvironment(常縮寫為 TME)——相關研究議題所投入的努力,絕非隻言片語能夠一以概括。許多研究早發現癌細胞耳朵軟,癌細胞的行為強烈受到腫瘤內微環境、以及同在腫瘤內微環境的其他細胞影響。腫瘤內微環境的共存細胞種類多雜,像是間質細胞(mesenchyma cells)、活化的纖維母細胞(fibroblasts)、外皮細胞(pericytes)、內皮細胞(endothelial cells),甚至是各種能夠引發發炎反應的細胞。

 

腫瘤內微環境組成複雜,卻絕不微而「癌」輕,也絕對可以見微知著。例如,在癌細胞獲得「轉移性」這令人頭痛的殺手鐧之後,接收了轉移癌細胞的附近組織內微環境,就已經會變得跟正常組織結構不太一樣。而這些微妙轉變,在在都是為了要能夠支持、促進腫瘤轉移,在向外開疆拓土能夠立馬站穩腳跟。

 

而這,也就是腫瘤轉移利基(metastatic niche)

 

腫瘤細胞的早期轉移利基,在科學家眼裡,就是能鑄成燎原大禍的星星之火。不過,孟子有孟母可以把關,要把腫瘤細胞的早期轉移利基掐止於萌發階段,讓腫瘤在遷徙之後卻成不了氣候,卻是個如果借不到白雪公主後母手裡的魔鏡,就極難掐指一算道盡天機的為難。

 

試想,偌大的組織裡,要如何火眼金睛的找到那剛轉移來的禍首呢?大海裡撈針之苦是難題未解原因之一;難處之二則是當癌細胞一旦轉移,又要如何找到能夠在彼之岸與癌細胞相接應的內裡反細胞。畢竟,癌細胞在轉移到新的器官、組織之後,既是人生也地不熟,總歸是得有願意同一個鼻孔出氣的同黨伸出援手,幫助癌細胞在轉移之後,能夠再振雄風地大量繁殖、增生,建立另一處勢力龐大的腫瘤根據地。

 

這些現有技術上的制肘,卻限制不了研究人員的創造力與蠻勁。既然腫瘤細胞缺少一個能夠觀察周遭環境的孟母,那就來研發出針對腫瘤細胞、能夠把腫瘤細胞行經之處,都仔仔細細觀察清楚的「癌之孟母」吧。

 

這該怎麼做好呢?位於英國倫敦The Francis Crick Institute 研究中心的Ilaria Malanchi 教授,和英國劍橋University of Cambridge 大學裡的 Joo-Hyeon Lee 教授,兩團隊聯手形塑成功了「癌之孟母」,並將成果發表到了八月底的《Nature》期刊上1。研究成果發表後,也立刻吸引了許多關注,像是《Nature Reviews Cancer》、甚至《Nature》自己,都再另外寫了分析文章,來強調 Ilaria Malanchi 與 Joo-Hyeon Lee 兩教授團隊的新發現。

 

所以,這兩個團隊,是怎麼做到的呢?

 

這兩個團隊裡的研究人員首先換了個思考方式。既然要找到始作俑者難如大海撈針、水中捉月,那這針也好、月也罷,研究人員不撈、也不捉了。他們自己放了個裝好全球定位系統的針與月進海裡、到水中。首先,既然要採取主動攻勢,自然得把領銜主演擔大綱的主要角色:針與月,好好選個知根知底的主角。研究人員選中了一株乳癌癌細胞:「4T1」。

4T1 雖然是小鼠的乳癌癌細胞,其行為表現卻極度類似人類乳癌細胞,常被用以類比為人類乳癌第四期的動物實驗模型。此株乳癌癌細胞,在被注入小鼠體內之後,便會自發性長成具有高度轉移性的乳癌腫瘤,會轉移到肺、肝臟、淋巴結,甚至是大腦。

 

領銜主「癌」的主角選定了,接下來要為癌細胞裝上全球定位系統這件事便極簡單,在細胞裡放個會發出螢光的螢光蛋白質,便可以輕鬆搞定。

但,畢竟此實驗旨在打造「癌之孟母」,想要商借孟母的睿智來好好觀察、研究正常組織在變化為能夠支持癌細胞轉移的糟糕環境之初期,究竟是出了什麼樣的毛病。若能成功,就可以知道癌細胞轉移之後,新落腳處的周遭環境是如何跟這個外來的癌細胞互動,繼而策劃正常細胞也窩裡反,轉變為能夠支持癌細胞落地生根、茁壯的反派。

故而,就算能夠輕而易舉地為 4T1 癌細胞裝上全球定位系統,利用螢光蛋白 GFP 來追蹤 4T1 的行蹤,卻還是不足以解決這手上難題。研究人員還是得想出辦法,好能夠知道 4T1 影響了哪些周圍正常細胞,而這些細胞又發生了什麼變化才好。

 

於是,研究人員想到了一計:利用改造過的 TATk 胜肽2, 3

 

TATk 胜肽很厲害嗎?

 

從全名為「trans-acting activator of transcription」蛋白中摘取片段序列所衍生的 TATk 胜肽,的確是不容小覷。早在 2002 年,藉由演算法模型,在人類免疫不全症病毒(human immunodeficiency virus)基因裡找到的這段胜肽序列2,被認為是能夠讓「病毒貨物」有效地穿透宿主細胞膜的重要訊息序列。接下來許多研究也都嘗試利用這段序列,來作為讓小分子(例如藥物)能夠進入到細胞裡面的秘密武器。

 

研究人員選用 TATk 胜肽序列,除了是看上這片段能夠通行無阻地穿透細胞,也是因為這序列能夠從原主細胞中,被分泌釋放出來。於是,如果把這個TATk 胜肽序列綁上另一個螢光蛋白質,TATk 胜肽序列就能夠拖著這個螢光蛋白拖油瓶,從 4T1 癌細胞內被分泌出去到周遭環境內,被同處於室的其他正常細胞所吸收。在4T1 癌細胞轉移到肺臟處之後,被新落腳處的其他正常細胞納入細胞內。於是,是哪些正常細胞跟 4T1 癌細胞有互動、有交集,腫瘤微環境又是如何逐漸轉變為能夠支持腫瘤轉移的微環境,自是能夠藉著TATk 胜肽序列所綁定的螢光蛋白拖油瓶,而一目瞭然。

 

於是,研究人員讓4T1 乳癌癌細胞表達螢光蛋白質 GFP,好能夠偵測癌細胞的行蹤,然後再將 TATk 胜肽序列結合上另一個螢光蛋白質 mCherry,注射到小鼠體內。然後,研究人員便觀察在已知 4T1 會轉移到的肺部組織裡,是哪些細胞吃了4T1 乳癌癌細胞的好處還忘了擦嘴,渾身發著 mCherry 螢光。

 

所以,是誰促成了早期腫瘤轉移利基的形成呢?

 

先前研究將矛頭指向免疫細胞,而研究人員也的確應證了此一懷疑。在肺部組織裡,早期轉移的4T1 乳癌癌細胞讓隨之尾隨而來的免疫細胞身染 mCherry 螢光,尤其是骨髓源細胞的細胞群系(myeloid lineage),還有肺部嗜中性白血球(neutrophils)都是主要中鏢者。比較這些發 mCherry 螢光的嗜中性白血球細胞,和正常不發螢光的嗜中性白血球一比較之後,發現這些被影響的嗜中性白血球細胞,轉譯作用增加,活性含氧物(reactive oxygen species)濃度也增加,和先前研究在腫瘤環境形成初期所發現的狀態實為相似。

 

接下來,研究團隊將焦點放到了非免疫組織身上,發現隨著腫瘤轉移,轉移處的腫瘤微環境逐漸形成,本來正常的肺部組織也都會變得更為增生、啟動促進發炎、與組織重塑的訊息傳遞。更讓研究人員驚訝的是,肺部表皮組織在早期腫瘤轉移利基的形成過程裡,扮演著舉足輕症的角色,顯示肺部實質(parenchyma)在腫瘤轉移的過程裡,或許是個不可欠缺的要角。

 

雖然,研究人員在小鼠模型身上的發現,畢竟無法依樣畫葫蘆、照本宣科的篤定在人類病患身上也是如此。但這些從前沒有被發現、觀察出的角度,總歸是讓研究能夠有下一步新方向的進展。是不是能夠藉由這新穎的標記技術,更加透視癌細胞在轉移之後,與週遭鄰居細胞之間的互動,更是讓人期待。

 


Reference

1.  Ombrato, L. et al. Metastatic-niche labelling reveals parenchymal cells with stem features. Nature 572, 603-608 (2019).
2.  Barash, S., Wang, W. & Shi, Y. Human secretory signal peptide description by hidden Markov model and generation of a strong artificial signal peptide for secreted protein expression. Biochem Biophys Res Commun 294, 835-842 (2002).
3.  Flinterman, M. et al. Delivery of therapeutic proteins as secretable TAT fusion products. Mol Ther 17, 334-342 (2009).

 


分類: 學者觀點