【论肿道麻】Nature Reviews Cancer：利用衰老治疗癌症

衰老是细胞对各种应激信号的反应，其特征是从稳定细胞周期中退出、细胞形态和生理发生重大变化。癌细胞也可以进行衰老反应。如何利用衰老改善癌症治疗是目前癌症治疗的一大热点。2022年3月，来自荷兰癌症研究所的研究员于《Nature Reviews Cancer》杂志发表了一篇名为“Exploiting senescence for the treatment of cancer ”综述，旨在讨论如何在癌细胞中诱导衰老、以及如何利用细胞生理学中的这些变化选择性地清除这些衰老的癌细胞。现介绍如下。

由于多种内源性和外源性应激源，细胞在其一生中逐渐积累损伤。复制细胞需要防御机制来减少这些持续压力对组织退化的影响。其中一种防御机制转换到一个稳定的非增殖的生存状态称为细胞衰老。现在的观点认为这是由端粒缩短引起的：细胞感觉到这是一种持续的DNA损伤反应。因此这些细胞会经历衰老，以避免进一步的基因组不稳定和DNA损伤的累积。除了端粒缩短外其他各种应激刺激也可能引发衰老，对除端粒磨损以外的应激刺激的衰老诱导有时被称为应激-诱导早衰。  

响应于应激刺激的衰老诱导导致稳定的细胞周期停滞。因此衰老代表了对癌症的防御机制。然而细胞周期退出也是其他几种细胞状态的特征，由于很难明确区分这些相关的细胞状态，我们需要寻找衰老状态的“黄金标准”标记。目前有以下几项可以用来界定衰老：1、增殖基因的异染色质化，这被认为是持久的细胞周期停滞，但是由于表观遗传模式原则上是可逆的，因此将衰老视为严格不可逆的停滞可能是不对的。2、通过抵抗凋亡刺激或促存活途径的上调来抵抗细胞死亡。3、溶酶体容量增加的特征。这与溶体酶衰老相关的β-半乳糖苷酶 (SA-β-gal) 的活性增加有关，它是目前衰老最广泛使用的标记之一。4、其它包括线粒体功能障碍导致的细胞代谢改变，大分子损伤，内质网应激，层粘连蛋白B1的丧失，以及细胞周期抑制剂INK4A和ARF的过度表达或激活。 

衰老的一个更独特但并非唯一的特征是分泌促炎细胞因子、生长因子和基质金属蛋白酶 (MMP) ，统称为衰老相关分泌表型 (SASP)。SASP因子可以以自分泌方式加强衰老，并通过向相邻细胞发出旁分泌信号来影响组织微环境。一旦衰老细胞的水平达到一定的阈值，它们甚至会产生全身效应，引发各种与衰老相关的疾病。     

大量抗癌干预通过触发基因毒性应激、促有丝分裂信号过度激活或氧化应激，导致稳定的细胞周期停滞和SASP诱导，从而诱导癌细胞衰老。因此治疗-诱导衰老是一种最初的抗肿瘤机制，可以阻止增殖并防止进一步的基因组不稳定（图1）。然而从长远来看诱导衰老的细胞可能是有害的，因为它会产生炎症、免疫抑制微环境。此外SASP可以促进血管生成、并促进邻近癌细胞的上皮-间质转化，从而促进迁移和转移。选择性杀死衰老细胞—即衰老疗法—最初是为了减少衰老相关症状和改善健康长寿，但解衰老疗法也可能对清除衰老癌细胞有用。最近人们发现了九大癌症挑战，其中之一就是理解和利用衰老来改善癌症治疗。在这里，我们将讨论“序贯疗法”：衰老和抗衰老疗法治疗癌症所带来的机遇和挑战。

诱导肿瘤衰老

癌基因诱导的衰老。 细胞衰老是对抗肿瘤发生的强大保护机制。癌基因的激活会引发生长停滞，称为癌基因诱导的衰老 (OIS)，此后OIS的概念被扩展到多种致癌模型。同样PTEN等肿瘤抑制基因的缺失也会导致原发性前列腺上皮细胞衰老，称为PTEN缺失诱导的细胞衰老 (PICS)。p53通路在OIS和PICS中起着核心作用。在OIS中癌基因的激活会导致DNA损伤，反过来又激活了p53从而诱导衰老。而PICS在没有明显DNA损伤的情况下通过mTOR途径激活p53。

图 1 | 癌症的衰老诱导疗法

化学疗法和放射疗法。尽管恶性肿瘤具有逃避衰老的能力，但仍可以使用由治疗引起衰老的疗法（如化学疗法或放射疗法）迫使它们进入衰老状态。低剂量的化学疗法尤其会在人类癌细胞中引发衰老细胞状态，而在较高剂量时会诱导细胞凋亡。从机制上讲许多化学疗法会导致癌细胞中的DNA损伤，从而通过 ATM-CHK2和ATR-CHK1激酶介导的相互关联的p53-RB通路的激活引发衰老（图 1）。虽然相当多的现有化学治疗剂具有诱导衰老的能力，但凋亡反应在大多数癌症中占主导地位。因此大多数化疗药物无法在体内很大一部分癌细胞中诱导衰老。

放射疗法广泛应用于治疗多种癌症类型。这种抗癌治疗可以诱导无法修复的 DNA损伤反应，激活ATM或ATR和p53-p21通路介导的细胞凋亡和细胞衰老（图1）。由于放射疗法可以局部应用，对正常组织的附带损害较小，因此继发性癌症也可能较少。尽管如此，癌症周围的组织可能会增加衰老细胞的负担，从而导致阵列局部副作用（如免疫抑制）。

细胞周期抑制。衰老细胞的一个标志是细胞周期蛋白依赖性激酶 (CDK) 抑制剂蛋白的上调。相比之下癌细胞通常具有上调的CDK水平，以便在细胞周期中进展。因此目前正在研究抑制CDK或提高CDK抑制剂蛋白水平的药物，用于诱导衰老的癌症治疗。  

端粒酶抑制。复制性衰老是对端粒磨损的反应。癌细胞通常通过端粒酶活性的反应来避免这种情况。迄今为止许多抑制端粒酶复合物的化合物已被确定为抗癌治疗的候选化合物。

表观遗传调节剂。另一种诱导衰老的方法是通过调节癌细胞的表观基因组。地西他滨抑制DNA甲基转移酶导致CDKN2A启动子的CpG富集区域去甲基化，诱导INK4A和ARF表达和衰老。

靶向肿瘤抑制因子或癌基因。细胞衰老的启动和维持依赖于p53，而p53在癌细胞中经常受损。在小鼠模型中Trp53的基因恢复通过诱导衰老反应导致肉瘤和肝癌的消退而观察到淋巴瘤消退的细胞凋亡反应。

衰老细胞在肿瘤中的作用

SASP因子在一定程度上通过加强衰老生长停滞和/或促进免疫监测来抑制癌症。癌基因诱导和治疗诱导的衰老细胞分泌炎症细胞因子IL-1α，它是SASP的关键启动子和调节因子。IL-1α通过激活NF-κB触发自分泌炎症反应导致IL-6和IL-8的转录（图2a）。随后这些炎性细胞因子通过增加活性氧的产生和持续的DNA损伤反应增强衰老增殖阻滞。

图 2 | 肿瘤中衰老细胞的积极和消极影响

尽管衰老癌细胞的SASP最初通过加强生长停滞和促进免疫清除而抑制肿瘤，但从长远来看这被认为是有害的，一项研究发现衰老的人成纤维细胞分泌的MMPs参与了细胞外基质的加工和降解，促进癌细胞的生长和侵袭。此外MMPs还促进许多其他支持肿瘤发生的细胞因子和生长因子的释放如血管内皮生长因子 (VEGF)，促进肿瘤驱动的血管生成 (图2b)。

IL-6和IL-8也是衰老细胞促肿瘤作用的重要介质，它们创造了支持癌症生长的慢性炎症微环境、驱动编码MMPs的基因转录使上皮向间充质转移，从而促进肿瘤侵袭性 (图2b)。由IL-6介导的衰老细胞的另一促致瘤作用是髓源性抑制细胞 (MDSCs) 向肿瘤微环境的募集。这些MDSCs阻断IL-1α信号传导，从而拮抗癌细胞中衰老的建立。MDSCs还通过抑制cd8t细胞和NK细胞来阻断免疫监视 (图2b)。然而衰老癌细胞的促肿瘤和抗肿瘤作用可能是由多种SASP因子和免疫微环境之间的复杂相互作用介导的，SASP因子的作用还受到组织类型、常驻免疫细胞、炎症网络或衰老诱导剂性质的影响。目前很难预测衰老癌细胞的作用是促肿瘤性还是抗肿瘤性。  

总之，由于SASP的双重作用，细胞衰老在肿瘤中的作用和衰老诱导疗法的结果是复杂且不可预测的。它高度依赖于环境和细胞类型，并且在癌症进展的不同阶段是可变的。从长远来看，衰老癌细胞的SASP被认为在促进肿瘤生长、治疗抵抗、免疫抑制、转移和血管生成方面主要是有害的。在癌症的背景下，将促衰老疗法与衰老疗法相结合可能会有所帮助。除了通过提供一两次打击直接靶向癌细胞并减少化学放射疗法对正常组织的副作用外，衰老药物还应消除肿瘤微环境中的早期癌前衰老细胞或其他衰老细胞，以抑制有害的SASP的影响。

用于抗癌治疗的衰老药物

用敏化剂靶向衰老癌细胞。衰老细胞的特征之一是色氨酸结构的改变导致基因表达的改变。这些改变可影响基本过程，如调节凋亡导致获得衰老细胞特有的新的易损性，这些新的易损性可被作为衰老剂的药物选择性靶向（图3；表1）。

图 3 | 用抗衰老剂靶向衰老细胞

衰老细胞通常具有更高水平的抗凋亡BCL-2家族蛋白。针对这一蛋白质家族的化合物已被深入研究用于抗衰老治疗。多项研究表明纳维托克（也称为 ABT263）和相关的ABT737，BCL-2、BCL-XL和BCL-W的选择性抑制剂，通过有效消除包括衰老癌细胞在内的多种衰老细胞、激活凋亡途径（图3a）。纳维托克还显示出在癌细胞系和小鼠模型中与各种衰老诱导疗法（表1）相结合的活性，包括AURK抑制剂、依托泊苷、多柔比星、奥拉帕尼和电离辐射。  

尽管取得了积极的结果，但之前的几项临床研究表明纳维托克的主要副作用与血液细胞中的靶向作用有关，例如血小板减少症和中性粒细胞减少症。纳维托克的血小板减少症已被证明是由BCL-XL抑制引起的，因此对另一种BCL-2选择性抑制剂维奈托克进行了重新设计以保留血小板。最近提出了一种半乳糖结合的纳维托克前体Nav-Gal来增强纳维托克的递送。纳维托克在前体形式中保持无活性，但当半乳糖部分被SA-β-gal切割时变得活跃。由于衰老细胞显示出高水平的SA-β-gal，通过Nav-Gal递送的纳维托克只会被衰老细胞中的SA-β-gal激活，从而限制其他细胞的脱靶效应（图3b)。另一种限制纳维托克血小板毒性的方法是使用蛋白水解靶向嵌合体药物PZ15227，这是一种BCL-XL特异性嵌合体，可劫持Cereblon E3泛素连接酶以降解BCL-XL蛋白。 Cereblon在人类癌细胞中表达但在血小板中表达最低。因此在衰老癌细胞中靶向BCL-2抗凋亡蛋白的衰老特异性增加，同时减少了血小板减少症等不良反应（图3a）。  

在衰老细胞中观察到促生存和细胞凋亡抗性网络的表达增加。达沙替尼是一种靶向多酪氨酸激酶抑制剂，靶向SRC激酶和PI3K-AKT信号传导节点，可以杀死衰老细胞。槲皮素是一种天然类黄酮，也具有衰老分解活性，目前尚不清楚槲皮素如何精确诱导衰老，但据报道它可通过抑制包括PI3K在内的上游途径干扰抗凋亡蛋白BCL-XL。对老年小鼠联合使用达沙替尼和槲皮素的组合可消除衰老细胞并改善心血管功能和存活率(图3c；表1)。非塞汀是另一种具有强大的抗衰老活性的天然黄酮醇，其效力是槲皮素的两倍。已经在多种癌症类型中研究了非塞汀单独或与其他抗癌剂联合使用的功效。非塞汀治疗对小鼠体外和体内的癌细胞中均有抗肿瘤细胞增殖和促凋亡作用。尽管达沙替尼，槲皮素和非塞丁是有效的衰老化合物，但它们作用于涉及各种生物过程的广泛途径。缺乏对这些药物如何诱导衰老的机制了解可能会阻碍其临床使用。

调节p53活性的化合物也可以起到调节衰老的作用。例如肽FOXO4-DRI干扰p53和FOXO4之间的相互作用导致在衰老的非肿瘤细胞中p53核排斥，然后选择性凋亡癌细胞（图3e）。调节衰老化合物UBX0101通过破坏p53和MDM2之间的相互作用选择性杀死衰老细胞。靶向p53–MDM2相互作用的药物的一个局限性是它们对癌细胞或衰老细胞没有特异性，因此可能会对正常细胞产生副作用。

两项独立研究表明，地高辛和哇巴因是在多种癌症模型中具有活性的衰老清除剂。强心苷可抑制Na+/K+ATP酶泵活性，导致细胞内电化学梯度失衡从而去极化和酸化。衰老细胞含有去极化的质膜和较高浓度的氢离子，使它们更容易受到强心苷的影响（图3d）。强心苷还可以通过抑 Na+/K+转运来改变促凋亡BCL-2 家族蛋白NOXA，从而导致细胞凋亡。地高辛调节衰老作用的浓度接近使用该药物治疗心力衰竭的浓度（20-33nM ）。然而强心苷的剂量窗口狭窄，可能需要进一步优化其作为抗衰老药物的临床应用。

免疫应答介导的衰老。SASP细胞因子、趋化因子和其他调节免疫细胞的因子可以促进或抑制衰老细胞清除 (图4;表1)。在NrasG12V致癌基因驱动的肝细胞癌小鼠模型中，Trp53表达的恢复促进了与CCL2分泌相关的癌细胞的衰老，这种趋化因子吸引NK细胞，并与衰老细胞上的NKG2D上调一起导致NK细胞介导的衰老 (图4a)。其他SASP成分如促血管生成因子VEGF和促炎细胞因子和趋化因子CCL5、CXCL1和IL-6，也有助于增加CD8+ T细胞浸润到肿瘤中并提高免疫检查点阻断抗PD1疗效（图4b）。

图 4 |免疫反应介导的衰老

与激活免疫相反，一些研究报告了衰老癌细胞对免疫监视的抑制。IL-6作为SASP因子之一，可以增加肿瘤浸润性MDSC的数量从而抑制淋巴细胞的功能并形成肿瘤允许的微环境（图4b）。此外SASP中的MMP可以切割NK细胞上的NK激活配体NKG2D以避免免疫监视（图4a）。

未来的前景和挑战

目前的观点认为联合疗法可以预防耐药性的发展。癌症联合疗法的概念自1958年以来一直在临床上使用。然而毒性是限制药物组合在肿瘤学中疗效的主要因素。序贯药物治疗方案避免了直接组合毒性，将允许组合更大范围的药物。促衰老疗法和衰老疗法的序贯疗法原则上是可行的，因为衰老是一种稳定的细胞状态，在衰老诱导剂撤出后仍会持续存在。因此促衰老疗法非常适合用于序贯治疗方案。目前第一个未满足的需求是缺乏在高比例的癌细胞中诱导衰老方面非常有效的药物。此外这些药物应该显示出对癌细胞的选择性，而不是在正常细胞中诱导正常组织衰老（图5）。另一个挑战是缺乏衰老状态的金标准生物标记。

图5 | 基于衰老的疗法的未来前景  

还需解决的一大问题是缺乏广泛作用的抗衰老药物。大多数抗衰老药物的开发旨在逆转衰老的影响，我们最近对一组衰老癌细胞中最常用的抗衰老剂（纳维托克）的研究表明，它作为抗衰老剂具有广泛可变的活性。因此除了缺乏衰老状态的绝对标记外，该领域还需要一种可药用且广泛存在的衰老癌细胞易感性。肿瘤异质性也需要重视。肿瘤异质性会导致不同的药物反应，这可能会限制肿瘤内衰老诱导的有效性。

我们需要更好地了解衰老癌细胞产生的SASP如何影响衰老癌细胞与免疫系统之间的相互作用。一些早期数据表明了促衰老疗法和检查点免疫疗法之间的协同作用。了解SASP何时引发可通过检查点免疫疗法增强的免疫反应以及何时不引发免疫反应非常重要。

最后需要仔细评估在老年人中通过衰老疗法消融衰老的正常细胞。老年人衰老细胞在某些组织中占净细胞数量的比例很高，理论上可能会危及组织结构完整性或影响血管内皮细胞，导致血组织屏障紊乱，进而可能导致肝和血管周围组织纤维化和健康崩溃。 这一潜在问题凸显了开发癌症选择性抗衰老药物的必要性。  

虽然许多问题目前仍未得到解答，但基于衰老疗法的关键优势，例如序贯治疗机会和衰老细胞对免疫细胞的吸引，值得进一步研究这种方法。

总结：

细胞衰老是对抗肿瘤发生的强大保护机制。衰老的一个特征是分泌衰老相关分泌表型 (SASP)，包括促炎细胞因子、生长因子和基质金属蛋白酶。SASP因子可以以自分泌方式加强衰老，并通过向相邻肿瘤、非肿瘤和免疫细胞发出旁分泌信号来影响组织微环境。一旦衰老细胞的水平达到一定的阈值，它们甚至会产生全身效应，引发各种与衰老相关的疾病。大量抗癌干预通过触发基因毒性应激导致稳定的细胞周期停滞和SASP诱导从而诱导癌细胞衰老。因此诱导衰老是一种最初的抗肿瘤机制，可以阻止增殖并防止进一步的基因组不稳定。目前已知的诱导肿瘤衰老的方法包括：癌基因诱导的衰老、化学疗法和放射疗法、细胞周期抑制、端粒酶抑制、表观遗传调节剂、靶向肿瘤抑制因子或癌基因。

然而从长远来看，诱导衰老的细胞可能是有害的，如何诱导癌细胞衰老-选择性清除衰老的癌细胞-随后抗衰老治疗的序贯疗法似乎为癌症的治疗又指出了一条值得尝试的道路。序贯药物治疗方案因避免了直接组合毒性、允许组合更大范围的药物。促衰老疗法和衰老疗法的序贯疗法原则上是可行的，因为衰老是一种稳定的细胞状态，在衰老诱导剂撤出后仍会持续存在。因此促衰老疗法非常适合用于序贯治疗方案。

目前主要的问题，一是缺乏精准诱导癌细胞衰老的药物，二是缺乏衰老状态的金标准生物标记，三是肿瘤异质性的问题，除此之外还需要更好地了解衰老癌细胞产生的SASP如何影响衰老癌细胞与免疫系统之间的相互作用。虽然衰老抗癌的道路道阻且长，但是从问题着手从眼前出发，我们期待更有突破性的抗癌药物问世。  

编译：杨琰；翁梅琳

审校：张军，缪长虹  

参考文献：Wang L, et al. Exploiting senescence for the treatment of cancer.Nat Rev Cancer. 2022. Mar 3. doi: 10.1038/s41568-022-00450-9.   

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