专家点评NCB | 李凌衡实验室发现癌症干细胞的免疫逃逸独特分子机制
点评 | 程涛（中国医学科学院血研所）
责编 | 兮
癌症的传统治疗方法如化疗或放疗虽然能在治疗初期有一定的效果， 但所引起的耐药性往往会引起癌症复发，影响了对癌症的有效治疗， 最终导致病人死亡。
近年来，免疫检查点疗法（Immunoecheckpoint， IC，简称免疫疗法）作为新的治疗方法为癌症治疗带来了革命性的改变【1】；但免疫疗法只在有限类型的癌症，诸如肺癌，黑色素腺瘤，肾癌显示出好的疗效，但很大一部分患者仍在免疫治疗后复发【2】。因此探讨包括免疫逃逸在内的抗药性的基本机制是癌症治疗亟待解决的根本问题。
以往研究揭示单独靶向Wnt-β-catenin或PI3K-Akt虽然可以在抗肿瘤中发挥一定的作用，但也具有一定的局限性即会产生耐药性，那么这两者是否存在有协同作为靶点的从而增加抗肿瘤效果的可能性呢？2007年，美国Stowers研究所（https://www.stowers.org）李凌衡课题组（第一作者为何曦）也曾报道过Akt可直接将β-catenin的C末端（包括Ser552氨基酸）磷酸化而增强β-catenin的活力，从而促进小肠干细胞的自我更新和扩增，最终导致产生肠道腺瘤【3】，揭示了Wnt-β-catenin与PI3K-Akt在肿瘤中的协同作用。2011年，李凌衡实验室也报道了Akt与β-catenin 的协同作用可以促进造血干细胞自我更新和扩增【4】。
为进一步揭示抗药性的基本机制，2020年4月20日，李凌衡课题组（第一作者为John Perry，李凌衡lab前博后，现为Kansas City儿童医院的助理教授，也是李凌衡实验室2011年相关论文的第一作者）在Nature Cell Biology杂志上发表文章Overcoming Wnt-β-catenin dependent anticancer therapy resistance in leukaemia stem cells，使用了双突变小鼠模型发现PTEN 基因敲除（北大吴虹教授提供）可激活PI3K-Akt和β-Catenin，进一步形成了T前体细胞阶段的白血病干细胞，促进了急性T淋巴性白血病（T-ALL）的发展。
基于以往报道，研究者们提出了一项假说：抑制Akt介导的β-catenin的磷酸化可能会降低β-catenin的活性并抑制白血病，相比之下，直接抑制β-catenin会有严重的毒性。
为了验证这一假设，研究人员与堪萨斯大学及癌症中心 （https://www.kucancercenter.org）的Scott Weir，Sitta Sittampalam及Anuradha Roy 进行合作，对FDA批准的化学文库进行了高通量筛选，并鉴定了24种先导化合物。在先导化合物中，他们发现广泛使用的化学治疗药物阿霉素（Doxorubicin 【DXR】，拓扑异构酶II的已知抑制剂）特异性地以低剂量（在100-250 nM范围内）抑制Akt和β-catenin的相互作用。使用蛋白质印迹分析和荧光共振能量转移（Fluorescence resonance energy transfer，FRET）分析进一步证实了 DXR（低剂量）可以特异性地抑制Akt和b-catenin的相互作用。
研究人员进一步将低剂量DXR与临床使用的化学治疗剂Nelarabine一起用于治疗具有T-ALL表型的PTEN-β-catenin双突变小鼠。他们观察到Nelarabine化学疗法虽然可有效地消除占多数的白血病细胞，但出乎意料地诱导在数目上占少数的白血病干细胞（LSC，CD3 + Kitlow）的扩增。相反，低剂量DXR对白血病细胞没有影响，但有效降低了白血病干细胞。DXR（低剂量）和Nelarabine的组合治疗效果最佳。
为了进一步确证DXR（低剂量）对白血病干细胞的抑制作用，李凌衡实验室与堪萨斯大学癌症中心的Tara Lin合作进行了一项小型临床试验以测试10-20例已对化疗产生耐药性的急性髓系白血病（AML）患者对柔红霉素（Daunorubicin，是DXR的蒽环类似物，被广泛用于治疗AML）的反应。结果表明，50％的已获化疗耐药性的急性髓系白血病患者对低剂量柔红霉素有反应，并显著降低了其白血病干细胞（CD34+ CD38-Tim3+）。
除了抑制Akt 和β-catenin这两个关键干细胞调节途径之间相互作用的作用机理，最令人惊讶的发现是弄清楚DXR（低剂量）对白血病干细胞的抑制作用的分子机制。事实证明，特异性靶向癌症的免疫细胞对于靶向白血病干细胞至关重要。
为此，李凌衡的前博士生陶芳（现为儿童医院研究人员）等发现Akt与β-catenin 的协同作用促进了白血病干细胞独特表达多种称为免疫检查点的基因。这些免疫检查点蛋白质抑制了体内免疫T细胞针对白血病干细胞免疫反应，影响了其识别并消除白血病干细胞。但是，低剂量的阿霉素治疗会降低白血病干细胞中这些免疫检查点基因的表达。
此外，尽管典型的临床剂量的阿霉素具有免疫抑制作用，却无差别地杀死健康的免疫细胞。但低剂量的阿霉素实际上刺激了免疫系统，特别是对抗癌的CD8+ T细胞。研究人员进一步发现低剂量阿霉素针对白血病干细胞的抑制作用依赖于这些CD8+ T细胞。这一发现特别令人兴奋，因为新的治疗方法不仅是直接针对白血病干细胞，还将它们暴露于激活的免疫反应中。这一发现特别令人兴奋，因为免疫系统可以保留这种反应的记忆，并可能对持续存在或重新产生的白血病干细胞作出反应。
该工作的意义：这项从基础研究出发，到筛选药物，再到临床试验的广泛跨学科合作研究，证明白血病干细胞通过上调多个免疫检查点基因表现出独特的免疫抗性，但是通过抑制Akt激活的β-catenin活性可以降低白血病干细胞的免疫抗性。这些发现揭示，与其他化疗或放疗及免疫治疗相结合，低剂量的阿霉素不仅在白血病而且在Wnt/β-catenin和PI3K /Akt信号异常高表达的其它多种癌症类型中，有希望克服癌症治疗的包括免疫逃逸的耐药性 。
寻找白血病干细胞特异性靶向药物是进一步提高白血病化疗效果乃至根治白血病的一个关键途径。Wnt，Notch，BMP 等在发育中高度保守的若干信号通路在成体干细胞维持、应激、衰老和恶性转化中均起着重要作用。李凌衡教授较早将这些通路引入干细胞研究，特别是Wnt-β-catenin和Pten-PI3K-Akt两个通路在造血干细胞中的协同作用研究非常出色。本文是李教授在过去多年研究的基础上，又一个杰出工作。
在既往的工作基础上，进一步研究表明同时激活Wnt-β-catenin以及Pten、PI3K-Akt信号通路能够扩增正常造血干祖细胞，但持续激活则会导致急性T淋巴细胞白血病（T-ALL）发生，是白血病干细胞（LSC）产生的一个重要分子机制。Akt可以磷酸化β-catenin蛋白552位丝氨酸（Ser552）这个位点，是在LSC中连接上述两个重要通路关键的耦连点。
针对这个靶点，利用高通量化合物筛选发现常用广谱抗癌药物阿霉素（DXR）在低剂量能够特异性抑制Akt对β-catenin Ser552位点的磷酸化。低剂量DXR作用后能够相对特异性杀伤LSC, 对正常造血干祖细胞无显著损伤。而在临床使用的常规高剂量处理后，虽然白血病原始细胞下降，但残留的LSC反而相对增加，正常造血干祖细胞损伤严重。进一步研究揭示了一个非常有趣的免疫增强新机制。低剂量DXR抑制β-catenin活性后，多个免疫检验点（如PD-1、CTLA4以及TIM3等）在LSC特异下调，同时白血病杀伤性T细胞增加，因而显著地增强了机体对LSC的特异清除能力。进而证实在T-ALL病人残留白血病（MRD）细胞植入的免疫缺陷小鼠（PDX）体内，β-catenin+ LSC也对于低剂量DXR更为敏感。基于这些结果提出了基于低剂量DXR的一个联合化疗方案。为此，该文还包括了针对复发和难治急性髓系白血病（AML）一个小样本临床试验。经过低剂量柔红霉素（DNR，DXR蒽环类类似物）治疗后，病人体内βcatenin+ LSC减少，TIM3也下调，显示了初步的临床结果。
总之，李凌衡教授团队这一新的合作成果主要针对白血病干细胞的一个“死穴”找到了一个特异清除白血病干细胞的已知药物DXR，并从多方面证实低剂量DXR联合化疗的可行性，结果令人鼓舞。因此，根据这一新的治疗策略，选择合适的适应症，进一步开展前瞻性随机对照临床试验很有必要。
参考文献
1. Sanmamed, Miguel F, and Lieping Chen. “A Paradigm Shift in Cancer Immunotherapy: From Enhancement to Normalization.” Cell vol. 175,2 (2018): 313-326. doi:10.1016/j.cell.2018.09.035
2. Sharma, Padmanee, and James P Allison. “Immune checkpoint targeting in cancer therapy: toward combination strategies with curative potential.” Cell vol. 161,2 (2015): 205-14. doi:10.1016/j.cell.2015.03.030
3. He, Xi C et al. “PTEN-deficient intestinal stem cells initiate intestinal polyposis.” Nature genetics vol. 39,2 (2007): 189-98. doi:10.1038/ng1928
4. Perry, John M et al. “Cooperation between both Wnt/{beta}-catenin and PTEN/PI3K/Akt signaling promotes primitive hematopoietic stem cell self-renewal and expansion.” Genes & development vol. 25,18 (2011): 1928-42. doi:10.1101/gad.17421911.org/10.1038/s41556-020-0507-yhttps://doi.org/10.1038/s41556-020-0507-y