Nature Milestones | 近20年人类癌症研究领域14项里程碑式进展!

2021
01/10

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近几十年来,人们对癌症的认识不断深入,如有关肿瘤发展的遗传学和表观遗传学畸变、肿瘤全基因组测序等。


 

导 读 

癌症目前仍然是全世界人类最大的杀手之一。近日,Nature GeneticsNature Medicine联合发表了“Nature Milestones in Cancer”一文,总结了癌症研究旅程中的14个重要的里程碑事件,以展示在理解癌症和开发新疗法方面取得的重大进展。
近几十年来,人们对癌症的认识不断深入,如有关肿瘤发展的遗传学和表观遗传学畸变、肿瘤全基因组测序等。这些发现推动了癌症新疗法的发展,尤其是免疫疗法,已成为与手术、化疗、放疗和靶向治疗并列的重要治疗手段。希望这些突破性事件能激发人们对癌症研究的乐观情绪,并积极开发新的方法来攻克癌症。

时 间 线 

   

事 件 简 介 

01

   Routes to resistance 

(靶向治疗耐药机制的研究进展)

 
 
世纪之交时,针对驱动基因的分子靶向药物不断被开发和应用,如酪氨酸激酶抑制剂—伊马替尼。与传统药物相比,靶向药物具有低毒、高效、不良反应少等特点,然而,临床试验表明患者在接受该靶向药物治疗后会产生耐药性,导致肿瘤复发。为此,Mercedes E.Gorre及其合作者对该药物治疗后复发患者体内的肿瘤细胞进行研究,发现了两种不同的耐药机制(BCR-ABL 融合基因的扩增和过度表达;BCR-ABL 激酶突变)。该研究及后续类似研究均表明癌症是一个进化的过程,存在着不同程度的肿瘤异质性;并且某些基因和突变仍然是肿瘤生长和存活的重要驱动因素。因此,可以针对这些驱动因素开发更高一级的靶向药,或者与其它药物联用规避耐药性。

02

Tracking cancer in liquid biopsies(液体活检对患者的非侵入性诊断和监测)

              
 
肿瘤学家很早就意识到癌细胞会通过血流扩散,因此致力于开发可靠且灵敏的检测技术,以便检测体液中癌细胞及其成分并确定其临床实用性。2004年Cristofanilli等人首次利用CellSearch证明循环肿瘤细胞计数对癌症患者分层的临床相关性;随后研究者通过检测循环肿瘤细胞(CTCs)中与肿瘤相关的突变来鉴定血液中肿瘤衍生物质的存在,Diehl等人通过检测结肠癌患者的肿瘤突变为ctDNA分析作为肿瘤生物标记物提供了有力的证据;2010年,Pantel 和Alix-Panabières 将这种对循环肿瘤物质进行分析衍生出多种临床应用的技术命名为“液体活检”;2013年,Dawson等人对正在接受治疗的转移性乳腺癌女性的血液样本进行监测,发现作为癌症生物标志物,ctDNA比CTCs具有更高的敏感性且ctDNA水平的变化与治疗反应密切相关;2014年,Bettegowda等人对14种不同来源癌症患者的血液进行检测分析,证实了癌细胞和癌症衍生的DNA可以在疾病发展的任何阶段进入血液。这些研究促使临床医生越来越多地将液体活检应用于一系列临床应用,预测疾病复发的风险以及跟踪与耐药相关的突变。该领域的下个挑战之一将是将液体活检纳入常规癌症筛查方案,以促进癌症的早期诊断。 

03

When cancer prevention went viral (预防宫颈癌的HPV疫苗)


 
癌症预防策略在理论上具有很大吸引力,但往往难以执行,因为大多数癌症的发病机制涉及多个因素。而在1983年,Harald zur Hausen等人首次发现生殖器官癌患者的活检样本中存在一种特定的人类乳头瘤病毒亚型(HPV-16);随后在1999年,研究者确定了HPV是宫颈癌的主要致病因子;2002年首次发表了针对HPV-16的VLP衍生疫苗的临床试验结果,证实了其疗效;2004年,Harper等人证实接种针对HPV 16和18的二价疫苗(Cervarix)可能会降低宫颈癌风险;2006年,默沙东研制成功的第一支预防宫颈癌的HPV疫苗Gardasil(针对HPV 6、11、16和18)获得美国FDA批准,随后Cervarix获得欧洲EMA批准;FDA和EMA随后分别于2014年和2015年批准了Gardasil-9,该疫苗可预防9种HPV感染。尽管疫苗研发取得了一系列成功,但HPV疫苗接种的潜力才刚刚开始实现,目前仍存在着一些挑战,如:HPV疫苗接种计划缺乏广泛的实施,公众对疫苗的不信任等。

04

  A licence to kill 

(利用合成致死进行癌症治疗)

          
 
1946年,Theodore Dobzhansky提出“合成致死(synthetic lethality)”,指两个基因共同发生突变导致细胞死亡,其中任何一个基因单独突变都不会造成这样的结果,这样的策略是抗癌药物研究的一个新方向;1997年,Leland Hartwell、Stephen Friend及同事提出合成致死关系可能会导致新的抗癌药物靶点;2005年,Alan Ashworth团队与KuDOS制药公司合作进行了两项具有里程碑意义的研究,表明DNA修复肿瘤抑制基因BRCA1和BRCA2发生突变的人类癌细胞对PARP抑制剂具有选择性敏感,且体外实验和小鼠实验均显示出较大的治疗指数; 2014年,FDA和EMA批准了首个PARP抑制剂olaparib,用于BRCA1/2种系突变卵巢癌患者的靶向治疗,此后,Olapaparib和其它三种PARP抑制剂已被批准用于其它几种恶性肿瘤(乳腺癌、胰腺癌和前列腺癌)治疗。 除了与特定的基因突变有关外,药物也可能产生协同增强效应,2020年,EMA和FDA批准联合使用BRAF抑制剂encorafenib和EGFR靶向抗体西妥昔单抗联合治疗BRAF突变型转移性结直肠癌。 目前,CRISPR-Cas9作为合成致死药物筛选的主流技术,助力抗癌药物的研发,当前的探索领域主要包括细胞内在机制(BRCA-PARP和BRAF-EGFR相互作用),以及靶向药物与免疫疗法的结合。

05

 Sitting on the fence (癌基因在癌前组织和癌症中诱导的衰老)

 
细胞衰老是由内在的复制性衰老或外在的氧化应激及DNA损伤等引起的,后者也可以由激活的致癌基因驱动,被称为癌基因诱导的衰老(OIS)。2005年,有研究团队报道了在小鼠和人类癌前组织中存在着OIS,并且OIS作用的通路依赖于肿瘤组织和致癌性损伤;衰老相关β-半乳糖苷酶是应用最广泛的细胞衰老标志物之一,之后Collado等人鉴定了一组与KRAS-V12诱导的衰老表型相关的表达谱基因,证明了衰老细胞存在于癌前腺瘤中;衰老细胞通常显示出DNA紧密堆积的异常染色质病灶;2006年的两项后续研究证实衰老触发因子间存在着相互作用;2008年,研究者发现多种趋化因子和白细胞介素(包括IL-6和IL-8)的分泌可维持生长停滞,从而稳定系统。过去十年的研究揭示了衰老及其相关分泌表型因子的多面性和高度动态性,目前研究者们正在探索该治疗策略应用于癌症患者的临床潜力和益处。

06

  Not a simple switch 

(癌症中的代谢适应)

       
 
恶性肿瘤不仅是一种遗传性疾病,也是一种代谢性疾病,体现在即使在氧气供应充分的情况下,恶性肿瘤细胞也主要进行糖酵解,促进乳酸分泌,该现象称为 “Warburg效应”。1997年,Chi V . Dang及其同事报道了糖酵解酶乳酸脱氢酶A (LDHA)是癌蛋白MYC的转录靶点,为Warburg效应提供了分子基础;Paul M. Hwang和Karen Vousden研究团队在2006年发现肿瘤抑制蛋白p53参与控制糖酵解和氧化磷酸化(OXPHOS)之间的平衡,在肿瘤抑制因子水平上证实了致癌驱动基因突变与Warburg效应的联系;随后 Thompson及合作者提出了一种模型,其中癌细胞的新陈代谢被调整,以优化营养物质的获取,产生生长优势;Navdeep S. Chandel研究小组证实在体外和体内,由癌蛋白KRAS诱导的癌细胞生长需要线粒体新陈代谢等功能,动摇了Warburg关于癌症中线粒体不可逆损伤的假说;2010年代的一系列研究使该领域进一步偏离Warburg的道路,显示出癌症新陈代谢在不同患者之间、同一患者内部以及同一肿瘤内不同区域之间的异质性,并强调癌基因型和组织环境是关键决定因素。迄今为止,仅有有限数量的靶向癌症代谢的药物成功应用于临床(FDA批准的enasidenib用于急性髓性白血病),随着对肿瘤的深入认识,这种情况在未来可能会改变。

07

Sequencing the secrets of the cancer genome (首次癌症全基因组测序 )


 
21世 纪第一个十年,第二代测序技术(NGS)的出现为肿瘤分子生物学的研究提供了新的手段,同时也预示着癌症研究的重大变革。 2008年,美国科学家Ley等人采用Solexa技术首次确定了人类癌症基因组的完全DNA序列,并与同一个体的正常组织相比较,最终在患者的肿瘤DNA中仅发现了8个可能与AML有关的单核苷酸变异(SNV),这在癌症研究中是一个真正的里程碑; 2009年,又发表了另外三个来自转移性乳腺癌、肺癌和黑色素瘤细胞系的癌症基因组。 这四项研究表明癌症具有实质性的遗传异质性。 当前,癌症基因组图谱(TCGA)和全基因组泛癌分析(PCAWG)等大规模研究已经对多种肿瘤类型的数万个癌症基因组进行了测序,揭示了肿瘤发展的复杂动力学,但由于缺乏具备充足资源的机构,使得临床应用受到限制。

08

Unleashing the immune system against cancer (免疫检查点抑制剂)

 
 
利用免疫系统治疗癌症最早可追溯到100多年前,免疫系统具有免疫监视功能,然而,癌细胞在某些情况下能进化出多种机制逃避机体的免疫监视和攻击。1996年,James Allison及同事证明,靶向CTLA-4的拮抗性抗体可以在小鼠体内诱导肿瘤排斥反应,这一发现揭示了免疫检查点抑制剂(ICIs)的治疗潜力;2003年,Allison及其合作者对CTLA-4抗体ipilimumab进行了首次人体研究,提供了该治疗概念的临床证据,与此同时,免疫检查点配体PD-L1及其受体PD-1的发现促进了新型ICIs的开发;2010年,对PD-1抗体nivolumab进行首个人体研究,揭示了几种肿瘤类型的持久退化;2011年,FDA批准了第一个ICI—ipilimumab;2014年,FDA批准了第一个PD-1抑制剂—pembrolizumab,用于治疗ipilimumab-难治性黑色素瘤,随后nivolumab也获得批准;2015年,PD-1抑制剂也逐步被批准用于其它肿瘤类型的治疗;2016年,FDA批准了首个PD-L1抑制剂—atezolizumab;2018年诺贝尔生理学或医学奖授予Allison和Honjo,以表彰他们在癌症免疫治疗领域做出的突出贡献。目前,ICIs已被纳入至少17种晚期恶性肿瘤的治疗范围,为患者带来长期生存的可能性,甚至可能治愈一部分患者。此外,这些药物还与其它治疗方法联合使用,获得了涉及化疗和抗血管生成药物的批准。然而,ICIs并非灵丹妙药,存在着免疫相关不良事件(irAEs)风险,必须解决重要问题,以进一步改善患者预后,缓解irAEs。

09

Engineering armed T cells for the fight (改造T细胞以杀死癌细胞)


 
T细胞是免疫系统的主要武器,可有效识别和杀死受感染的细胞,如果它们识别出癌细胞,也会杀死它们。过继细胞疗法(ACT)利用T细胞的这种细胞毒性能力来根除肿瘤。1980s,ACT首次成功应用于癌症治疗,Steven Rosenberg从黑色素瘤患者中分离出肿瘤浸润性淋巴细胞(TIL),然后激活和扩增,再注入患者体内,该研究表明修饰后的T细胞在转移后仍能存活数月,这是ACT的关键条件;1989年,Zelig Eshhar将抗体的可变区与T细胞受体(TCR)链的恒定区结合在一起,从而产生嵌合抗原受体(CARs),为T细胞提供抗体类型的特异性;2002年,Michel Sadelain和同事优化了CAR设计,将TCR的胞内结构域和关键的共刺激受体CD28整合到单个分子中,以帮助维持T细胞的扩增、功能和持久性;2010年,James Kochenderfer及其同事在CAR - T细胞疗法上取得了重要突破,发现CAR - T细胞在患者体内具有活性;2017年,CD19 CAR T细胞疗法获得了FDA的批准,用于治疗患有ALL的儿童和患有侵袭性淋巴瘤的成人。此外,另一种ACT是工程化T细胞,以表达识别肿瘤相关抗原的TCRs,该方法可靶向细胞表面不存在的抗原。尽管T细胞免疫疗法取得了成功,但仍然存在重要的障碍,如:抗原丢失导致的疾病复发,获得性耐药性,毒性效应等。目前,新的CAR构建物正在开发中以解决这些局限性。  

10

Oncohistones: epigenetic drivers of cancer(肿瘤发生和发展的表观遗传学驱动因素)

   
 
儿科癌症的遗传学和生物学特征与成人癌症不同,儿童癌症中发现反复出现的组蛋白突变表明“致癌组蛋白”是许多侵袭性儿科癌症的根本原因。2012年,两项开创性的研究揭示了儿童高级别胶质瘤中存在高频的体细胞突变,这些突变主要影响组蛋白H3基因,致癌组蛋白通过改变染色质重塑和可及性来干扰转录调节,从而促进肿瘤的发生和发展;2013年,多项研究报道EZH2可以作为一个治疗靶点,且证实H3K27me3的缺失与许多参与发育神经发生的基因表达上调有关;2017年的一份报告表明,一些位点(如CDKN2A)保留H3K27me3,从而导致选择性的基因沉默程序,促进肿瘤发生,同时保留肿瘤细胞起源的身份;2019年,有研究表明致癌蛋白并不限于胶质瘤和肉瘤,在不同类型的肿瘤中发现了所有核心组蛋白的体细胞变异,但无法确定是驱动突变还是乘客突变,且下游的潜在机制也尚不清楚。目前,一些组蛋白去乙酰化酶抑制剂和酪氨酸激酶抑制剂正在临床试验中,根据肿瘤的基因筛查,在临床试验中进行治疗性干预应该会增加成功的机率。

11

Tumour evolution: from linear paths to branched trees(肿瘤细胞克隆多样性是肿瘤进展和治疗抵抗的基础)


 
二代测序技术的出现以前所未有的分辨率实现了癌症基因组的表征,对癌症基因组图谱的研究有望使癌症治疗朝着以基因型为导向的方向发展。1976年,Peter Nowell提出了癌症是一个进化过程,随后,James Goldie和Andrew Coldman提出了肿瘤基因异质性增加治疗耐药性的观点;2000s,几项研究均证明了克隆进化的复杂性,并支持克隆多样性是疾病进展和治疗抵抗的基础;2011年,Anderson 和Notta 等人追踪了不同亚克隆在急性淋巴细胞性白血病进展过程中的进化路径,发现白血病起始细胞亚群的遗传异质性程度与样本中白血病细胞群体的遗传异质性程度相似,且分支进化轨迹不符合癌症进化的线性模型;2012年,Gerlinger等人证实了癌症是高度动态进化的实体,推动了人们对肿瘤思维的转变—从线性癌症进化到树状癌症进化,且表明癌症基因组具有极端异质性的特点。遗传异质性加剧了治疗耐药性,因此全面了解癌症演变的动态和评估肿瘤的异质性对于预测、药物开发及治疗至关重要。

12

Undruggable? Inconceivable(靶向“无法下药”的非激酶蛋白)

      
 
21世纪初,数十种激酶抑制剂正不断走向临床,而肿瘤学中对关键的非激酶靶点的研究进展还相对匮乏。RAS基因是存在最为广泛的致癌性突变基因之一,自1982年发现以来,始终没有成功研发出一款针对RAS的药物,因此,RAS被成为 “无成药性”(Undruggable)靶点。2013年,Shokat首次报道了利用小分子共价结合KRAS-G12C突变体(非小细胞肺癌中最常见的RAS突变之一)的可行性,这一发现引起了轰动,之后两种药物(AMG510,MRTX849)被开发出来,并在早期临床试验中显示出疗效。然而,并非所有的RAS突变都是G12C,针对G12C以外的KRAS亚型的化合物也在开发中,这些亚型通常存在于NCSLC、胰腺癌和结直肠癌中。与RAS相比,其它非激酶靶点抑制剂的研发并不成功,如p53抑制剂,在2020年的急性髓系白血病的III期试验中失败了;MYC,当前仍无药可用。此外,蛋白水解靶向嵌合体技术(PROTACs)有可能解放这些无成药性靶点,第一个PROTAC在2020年成功完成了I期试验,显示出一些抗肿瘤效果的迹象。因此,开发靶向蛋白质的治疗化合物具有可行性。

13

Good bacteria make for good cancer therapy(肠道微生物群对抗肿瘤免疫应答的影响)


 
目前许多癌症治疗依赖于抗肿瘤免疫反应的刺激,但肠道微生物群是否会通过免疫系统影响宿主对癌症治疗的反应尚不清楚。2013年,Laurence Zitvogel和Giorgio Trin Chieri团队的两项开创性研究证明了一个完整的肠道微生物群启动先天性免疫和适应性免疫系统对三种抗癌方案的有效性是非常重要的;Iida等人的研究成果也表明,缺乏肠道微生物的荷瘤小鼠对CpG寡脱氧核苷酸(ODN)、奥沙利铂化疗和白细胞介素10受体(IL-10R)阻断的反应减弱;2015年,通过两项研究进一步确定了在治疗压力下调节抗肿瘤免疫反应的不同细菌种类,如:Bifidobacterium spp.及B. fragilis;2018年,Zitvogel、Gajeski和Jennifer Wargo发表了三项平行研究,表明肠道共生细菌决定着抗PD-1 ICIs对黑色素瘤和上皮性肿瘤患者的疗效。此外,肠道微生物群的组成可能是导致ICIs原发耐药性的一个因素。综上所述,近些年的研究显示肠道微生物群可以影响免疫治疗疗效,但需要严格的临床试验才能确认其可信度,并且仍有一些挑战亟需解决,如:肠道微生物群预测免疫治疗疗效与癌种、人种、药物是否有关?肠道微生物群影响免疫系统对癌症治疗作出反应的机制?

14

The AI revolution in cancer(人工智能在癌症诊断和监测中的潜力)


 
目前,组织病理学仍是癌症诊断的“黄金标准”,临床基因组学的出现有助于通过识别可操作的肿瘤弱点来完善患者分层和临床决策,但是组织学评估和测序方法都比较费时且费用昂贵,且在不同机构往往产生不一致的结果,人工智能(AI)+医疗可实现临床级的自动化诊断,并简化临床医生的工作流程。在过去的十年里,数字化临床数据的数量激增,包括电子健康记录、基因组学和数字生物医学图像。2017年,Esteva等人将计算机视觉应用于癌症检测领域发表了一项里程碑式的研究,作者使用皮肤状况数字图像的大量数据集来训练和验证深度卷积神经网络,使得该网络能够准确区分良恶性病变;Bejnordi等人开创性地探索了深度学习模型对乳腺癌淋巴结转移的准确检测;Hollon等人进行的前瞻性临床试验显示人工智能驱动的系统可以为接受脑癌手术的患者提供准确的诊断;Esteva等人使用常规手机摄像头,以经济实惠的方式为获得AI辅助的皮肤损伤差别化分类铺平了道路。这些仅仅只是开始,肿瘤领域大数据和人工智能的融合提供了一个独特的接口,期待着这一研究领域未来10年的开创性发现。

本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
微生物群,抑制剂,异质性,基因组,癌症

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