肺癌是全球最常見的惡性惡性良性腫瘤之一，轉移是肺癌患者死亡的最主要原因，其中腦是肺癌最常見的遠處轉移部位，約40%-50%的肺癌患者會發生腦轉移，由于治療手段的限制，肺癌腦轉移患者的預後極差。以鉑類為主的化學治療是臨床可有效控制原發性肺癌病變的治療手段，然而它對肺癌腦轉移瘤的治療效果卻十分有限，其背後原因尚不明晰。肺癌細胞在曆經一系列複雜的腦轉移級聯過程後自身會發生蛋白、代謝水準的重程式設計以适應轉移新微環境，基于組學手段全面揭示這些内源性改變有助于尋找肺癌腦轉移對化療反應差的原因。
近日，大連醫科大學附屬第二醫院呼吸内科王琪教授團隊在學術期刊Clinical and translational Medicine（IF：11.492）上發表論文題為 “Glutathione peroxidase 4-dependent glutathione high-consumption drives acquired platinum chemoresistance in lung cancer-derived brain metastasis” ，該研究首次揭露肺癌腦轉移細胞對化療耐受的内在原因，有望為臨床肺癌腦轉移患者提供新的治療政策。
該研究利用肺腺癌細胞PC9建構臨床前肺癌腦轉移模型，發現腦轉移細胞亞群 (PC9-BrMs) 相比親本PC9細胞對鉑類的藥物敏感性顯著下降，提示腦轉移細胞的内在變化是引起腦轉移獲得性化療耐藥的主要原因。研究進一步運用代謝組學和蛋白質組學技術對腦轉移亞群細胞的蛋白表達譜和代謝譜進行了全面描繪。研究發現肺癌腦轉移呈現以谷胱甘肽（GSH）高消耗為特點的獨特代謝狀态，蛋白組學分析證明這種代謝狀态是由肺癌腦轉移細胞中顯著上調的GPX4和GSTM1蛋白引起，GPX4和GSTM1通過消耗谷胱甘肽抑制細胞鐵死亡進而導緻腦轉移細胞對化療藥物敏感性降低（圖1）。景傑生物為該研究的蛋白質組學定量分析提供技術支援。
圖1. 肺癌腦轉移細胞鉑類化療耐藥機制示意圖
1 肺癌腦轉移細胞對鉑類的藥物敏感性下降
研究人員通過将肺腺癌細胞PC9對免疫缺陷小鼠進行心内注射建構肺癌腦轉移動物模型，然後通過三次“心内注射-離取腦轉移瘤-肺癌腦轉移細胞原代培養-心内注射”循環不斷富集肺癌腦轉移特性，獲得具有不同程度腦轉移能力及富集特性的腦轉移亞群細胞（圖2）。體内外藥物敏感性實驗發現腦轉移細胞亞群 (PC9-BrMs) 相比親本PC9細胞對鉑類的藥物敏感性顯著下降，提示腦轉移細胞的内源性變化是引起腦轉移獲得性鉑類化療耐藥的主要原因。
圖2. 臨床前肺癌腦轉移模型建構示意
2 代謝組學揭示肺癌腦轉移細胞内源性代謝重程式設計
研究者對親本細胞PC9及肺癌腦轉移細胞亞群 (PC9-BrM1，PC9-BrM2，PC9-BrM3)開展了基于氣相色譜質譜 (GC-MS) 的代謝組學分析，對肺癌腦轉移細胞的代謝特征進行全面描述。結果發現肺癌腦轉移細胞亞群的代謝輪廓與親本細胞相比發生了顯著的改變，進一步分析發現肺癌腦轉移細胞呈現以谷胱甘肽（GSH）高消耗為特點的獨特代謝狀态（圖3），這一狀态與其獲得性鉑類化療耐藥息息相關。
圖3. 肺癌腦轉移細胞代謝組學特征
3 蛋白質組學鎖定内在機制
為了追溯肺癌腦轉移谷胱甘肽（GSH）高消耗的内在機制，作者應用TMT标記蛋白質組學定量技術（質譜政策）對親本細胞PC9及肺癌腦轉移細胞亞群 (PC9-BrM1，PC9-BrM2，PC9-BrM3) (樣本政策）進行蛋白組定量分析，并将蛋白組學與代謝組學資料進行聯合分析（圖4），鎖定肺癌腦轉移谷胱甘肽（GSH）高消耗狀态是由肺癌腦轉移細胞中顯著表達上調的GPX4和GSTM1蛋白導緻。體内外驗證最終證明GPX4和GSTM1通過消耗谷胱甘肽抑制細胞鐵死亡進而導緻腦轉移細胞對化療藥物敏感性降低的内在機制。
圖4. 肺癌腦轉移細胞蛋白組學特征
随着越來越多研究證明表觀遺傳學在惡性良性腫瘤進展中的重要作用，蛋白組學和代謝組學已成為揭示惡性良性腫瘤細胞轉錄後調控的有力手段，更深入的探索惡性良性腫瘤生物學行為機制。一方面，代謝組學可以為蛋白質組學資料的功能解釋提供資訊，另一方面，蛋白質組學則通過突出顯示參與的酶或酶促途徑揭示代謝組學的内在原因。本文首先利用代謝組學對肺癌腦轉移細胞的代謝特點進行特征分析，發現肺癌腦轉移中谷胱甘肽高消耗的代謝狀态，進一步蛋白質組學研究對該代謝狀态背後的内在機制進行探索，這為組學技術應用于惡性良性腫瘤生物學行為分子機制的闡明提供了成功的示例。
作者介紹
王琪教授：大連醫科大學附屬第二醫院副院長，呼吸内科二級教授，博士生生導師，國務院特殊津貼專家、遼甯省呼吸内科重點學科帶頭人、遼甯省特聘教授、遼甯省教學名師、遼甯省優秀專家、大連市首批領軍人才，大連市第六批優秀專家。中華醫學會呼吸分會肺癌學組委員，中國醫師協會呼吸病學分會委員，中國肺癌防治聯盟肺癌早期診斷副主任委員，遼甯省醫學會呼吸分會副主任委員，遼甯省肺癌轉化醫學研究中心主任、遼甯省肺癌重點實驗室主任，遼甯省肺癌研究工程實驗室主任。長期從事肺癌基礎和臨床方面的研究，在國内外率先将微流控晶片技術——這一具有高通量、內建化、微型化優勢的技術平台應用于肺癌的基礎與臨床研究，開創了該技術與肺癌診療結合的先河，并應用于肺癌臨床診斷和治療領域。近年來以課題組長的身份主持并承擔國家重大科研儀器研制項目、國家863計劃項目、國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金重大研究計劃項目及面上項目等國家級項目多項，獲中華醫學科技獎、教育部科技進步獎、遼甯省科技進步獎及大連市科技進步獎等多項，取得發明專利5項，實用新型專利1項，以第一作者或責任作者發表學術論文100多篇，50多篇發表于國際雜志（被SCI收錄），包括J Thorac Oncol， Biomaterials，ACS Applied Materials &Interfaces，Lab chip 等國際著名期刊。
參考文獻
Liu W, et al., 2021, Glutathione peroxidase 4-dependent glutathione high-consumption drives acquired platinum chemoresistance in lung cancer-derived brain metastasis. Clin Transl Med.