「我們此次研發的面向非腫瘤細胞的代謝療法，可以大大增強一線化療藥物的療效，預計會更廣泛地出現在癌症聯合治療方案中。」上海交通大學研究員宋海雲表示。
在近期一項研究中，他和合作者採用基於納米粒子靶向遞藥的策略，在提高藥物精準遞送效率、延長藥物作用時效、減少給藥劑量、減輕藥物副作用上，都具有積極意義和良好的應用價值。
圖 | 宋海雲（來源：宋海雲）
眾所周知，化療是惡性腫瘤常用的治療手段。但是，腫瘤患者在接受反覆化療之後，往往會逐漸失去對於化療藥物的響應性。一直以來，腫瘤的化療耐藥性都是癌症治療的瓶頸問題。
這種現象與癌症幹細胞（cancer stem cell，CSC）的耐藥性密切相關。由於化療藥物不能有效殺死癌症幹細胞，在接受化療的殘餘腫瘤組織中，癌症幹細胞的比例會出現上調。
相應地，在經歷多次化療之後，腫瘤會誘導癌症幹細胞的富集，從而產生廣譜的化療藥物耐受性。因此，通過靶向癌症幹細胞，並將其轉為對化療藥物敏感的普通腫瘤細胞，是提高化療效果的一種新的潛在方式。
然而，直接靶向癌症幹細胞遞藥的方式，依舊面臨一些困難：
一方面，對於不同類型腫瘤的幹細胞來說，它們缺乏統一的位於細胞表面的特異性標誌物，在這種情況下很難針對不同的癌症幹細胞來設計廣泛適用的靶向策略。
另一方面，癌症幹細胞生活在幹細胞巢的屏障之中，直接向癌症幹細胞遞藥往往存在效率不高的缺點。
（來源：Advanced Materials）
研發納米粒子靶向遞藥新策略
鑒於此，宋海雲課題組此前曾將目標瞄向構成腫瘤幹細胞巢的主要細胞類型：癌症相關成纖維細胞（cancer-associated fibroblast, CAF）。
CAF，是腫瘤細胞誘導基質細胞形成的一種活躍型成纖維細胞，對於腫瘤發展起著關鍵促進作用。它可以形成物理屏障從而阻礙藥物滲透。
對內，CAF 能分泌白介素 6（IL-6）和白介素 8（IL-8），從而維持癌症幹細胞的活性；對外，CAF 能分泌各種趨化因子，從而招募免疫抑制性細胞比如髓源性抑制細胞和調節性 T 細胞，進而協助腫瘤的免疫逃逸。
考慮到直接殺死 CAF 會增加癌症幹細胞轉移的風險，因此通過重編程的方式，來讓活躍的 CAF 進入靜息狀態，可能是誘導癌症幹細胞失去活性的一種理想選擇。
基於以上思路，課題組設計了兩種納米粒子（稱為雙子納米粒子），它們在形態和大小上都很相似，可以分別靶向 CAF 和腫瘤細胞傳遞藥物。
那些進入 CAF 的納米粒子，可以通過干預異常的維生素 B3（VB3）代謝，來引起染色質上甲基化和去乙醯化修飾的重塑，從而將 CAF 轉變為靜息的基質細胞，進一步誘導癌症幹細胞分化為腫瘤細胞，從而對化療藥物產生敏感性。
由於靶向腫瘤細胞的納米粒子攜有化療藥物，故能有效清除原有的腫瘤細胞、以及由癌症幹細胞轉變的腫瘤細胞。
藉助雙子納米粒子的協同作用，可以實現腫瘤的完全消退並實現腫瘤復發的長期預防。在治療對一線化療藥物具備耐藥性的乳腺癌小鼠、肝癌小鼠、胰腺癌小鼠、以及結直腸癌小鼠的過程中，這種雙管齊下的方式均取得非常好的療效，因此這種腫瘤治療策略具有廣泛的適用性。
煙醯胺 N-甲基轉移酶（NNMT，nicotinamide N-methyltransferase）是一種代謝酶，它在腫瘤組織的基質細胞中呈現高表達的狀態，這會導致 VB3 代謝的異常。
而該團隊針對煙醯胺 N-甲基轉移酶進行了靶向干預，藉助 VB3 代謝的重編程，讓原本可以促進腫瘤耐藥的 CAF 轉變為「正常」的基質細胞，從而讓化療耐藥型腫瘤轉變為化療敏感型腫瘤。
（來源：Advanced Materials）
更有效的癌症幹細胞調控方案
據介紹，在該課題組此前的一項工作里，他們利用在腫瘤局部釋放的表觀遺傳調控藥物，來對化療耐藥性腫瘤中的癌症幹細胞進行誘導，藉此分化成不耐藥的普通腫瘤細胞，再使用化療藥物進行聯合治療[1]。
儘管上述方案可以很好地抑制腫瘤生長，但只能在大約一半的小鼠中觀察到腫瘤的完全消退，這說明藥物到達腫瘤部位之後，很難高效地通過癌症幹細胞周圍的屏障。
因此，他們希望開發一個更加有效的調控癌症幹細胞的方案，於是展開了本次研究。
通過大量的文獻調研，再結合一些先導實驗，課題組打算通過代謝重編程來改造 CAF，進而誘導癌症幹細胞分化。這一策略被他們稱之為「隔山打牛」法。
為了實現藥物的精準遞送，他們分別合成了靶向 CAF 或腫瘤細胞的納米粒子，並測試了它們的靶向能力、藥物裝載能力和藥物釋放動力學。
與此同時，針對接種腫瘤細胞的小鼠，該團隊多次使用一線化療藥物來進行治療，藉此分別誘導出對抗癌藥「表柔比星」耐受的三陰性乳腺腫瘤、對抗癌藥「索拉非尼」耐受的肝細胞腫瘤、對「吉西他濱」耐受的胰腺導管腫瘤、以及對「5-氟尿嘧啶」耐受的結直腸腫瘤。
其發現對於這些腫瘤細胞來說，它們能被繼續接種到下一代小鼠上，並維持對於化療藥物的抗性。
隨後，藉助細胞實驗和體內腫瘤模型，針對納米粒子進入 CAF 之後對於 VB3 代謝通路的調控效果，該團隊進行了檢驗。
針對由此引發的 CAF 在細胞形態、表面標誌物和各種細胞因子分泌能力等方面的改變，課題組也予以檢驗。
對於腫瘤內癌症幹細胞、以及各種免疫細胞來說，經歷 CAF 的重編程之後，它們在數量和功能上是否會發生變化？對於這一問題，該團隊也進行了探究。
此外，那些靶向腫瘤細胞的納米粒子，會帶來怎樣的體內治療效果？研究人員也進行了詳細探索。
而對於共遞送雙子納米粒子來說，還需要檢測它們在治療耐藥性三陰性乳腺腫瘤、以及治療非耐藥性三陰性乳腺腫瘤的療效。
為此，課題組在腫瘤消退之前，針對瘤內癌症幹細胞和各種免疫細胞的變化進行觀測。而在治療完成之後，則主要檢查是否會對小鼠主要器官產生副作用。
在小鼠已被治癒一段時間之後，該團隊再次向小鼠接種腫瘤細胞，藉此檢驗本次治療手段能否誘導長期的抗腫瘤免疫記憶。
最後，對於其它三種化療耐藥性腫瘤的治療效果，研究人員也進行了檢測分析，藉此確認本次方法具有廣泛的適用性。
對於本次工作來說，要使用的腫瘤數目非常之多。在分析腫瘤組織中的各種細胞類型時，是該團隊耗時巨長的一個環節。
哪怕只是針對一批樣品做實驗，通常就要連續操作幾天。往往是從清早開始，一直忙到半夜一兩點結束。據宋海雲回憶：「為了克服熬夜對於皮膚健康的危害，實驗室的女同學在等待機器分選細胞的漫長時間裡，紛紛敷上面膜並拍照留念。」
正是大家不分日夜的努力，成就了上述成果。最終，相關論文以《靶向重新編程維生素 B3 代謝作為化療耐藥癌症的納米治療策略》（Targeted Reprogramming of Vitamin B3 Metabolism as a Nanotherapeutic Strategy towards Chemoresistant Cancers）為題發在 Advanced Materials[2]。
上海交通大學郭道霞博士生和季曉媛副研究員是共同一作，宋海雲、季曉媛、以及同校的樊春海院士和王慧教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）
另據悉，腫瘤細胞具有讓周圍細胞「黑化」進而「助紂為虐」的能力，即它不僅自己會展現出較高程度的代謝異常，還會誘導周圍的基質細胞和免疫細胞，讓後者發展出異常的代謝模式，進而使它們喪失原有的抗腫瘤能力，導致腫瘤進一步惡化。
針對此，面向腫瘤組織中的基質細胞和免疫細胞，該課題組將發展更加高效的精準代謝療法，通過代謝重編程的方式，恢復這些細胞的原有功能，從而克服腫瘤對於化療、放療和免疫療法的抗性。
公開資料顯示，回國之前的宋海雲，曾在國外讀博和做博士後研究。其表示：「 我於 1999 年赴美（加州大學洛杉磯分校）讀博，並於 2005 年初赴瑞士（蘇黎世大學）做博士後至 2010 年初。」
他繼續說道：「在此期間，我感受到我們國家令人驚嘆的發展速度。未來，不必羨慕西方的環境和條件，因為我們在許多方面擁有快速趕上或超越西方的潛力，同時對於科學研究和科研人員的支持也在持續增長。我很高興我的判斷是正確的。」
參考資料：
1.Ji X, et.al., Advanced Materials, 2021, doi: 10.1002/adma.202100949
2.Guo, D., Ji, X., Xie, H., Ma, J., Xu, C., Zhou, Y., ... & Song, H. Targeted Reprogramming of Vitamin B3 Metabolism as a Nanotherapeutic Strategy towards Chemoresistant Cancers. Advanced Materials,2301257.