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齊心協力對抗癌症:免疫療法與小分子天然物合作促進癌細胞凋亡?

在過去半個世紀以來,從植物、真菌、細菌等生物中萃取小分子天然物 ( Small-molecule natural products ) 一直是科學家們尋求疾病療法的觀點之一。小分子天然化合物的治療用途廣泛,目前已知可應用於治療神經退化性疾病、微生物感染、甚至是癌症 [1] [2] 。在癌症治療方法中,T細胞免疫療法是近年重要且具突破性的醫療技術;然而仍有少數病人會對此療法產生抗性,因此天然化合物搭配免疫療法是科學家們的研究重點。美國的費德列克國家癌症研究室團隊先前研究已觀察到,從植物萃取的小分子天然物可以促使具有細胞凋亡 ( Apoptosis,註一 ) 抗性的癌細胞走向死亡 [3]。而本篇延續先前研究,探討小分子天然物與誘導細胞凋亡的藥劑合併使用如何克服癌細胞的抗性,並討論與免疫療法共同治療癌症的潛能 [4]。

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團隊在先前研究已發現,從睡茄 ( Withania somnifera ) 及另外兩種茄科酸漿屬植物 ( Physalis crassifolia and Physalis peruviana ) 可以萃取出 17β-Hydroxywithanolides ( 17-BHWs ) 化合物 [4] 。17-BHWs根據結構可被分為三大類:withanolide E ( WE )、physachenolide C ( PCC )、physachenolide D ( PCD )。而研究指出WE或PCC類比物 ( Analog ) 與TRAIL蛋白合併使用的話 [註二] ,都可以使ACHN腎臟癌細胞對TRAIL蛋白產生敏感性,並進行細胞凋亡 [註三] 。

研究團隊延續了上述研究,並以PCC探討17-BHWs如何克服癌細胞對細胞凋亡的抗性。除了TRAIL之外,研究團隊也利用了Polyinosinic:polycytidylic acid ( Poly I:C ) 誘導細胞凋亡 [註四] 。研究結果指出PCC不但可以使ACHN細胞對TRAIL及Poly I:C產生敏感性,也能使其他種癌細胞產生同樣的結果,例如:黑色素癌細胞 ( Melanoma cells )。然而在正常細胞中,卻沒有觀察到細胞凋亡,顯示PCC與TRAIL / Poly I:C的合併使用誘發的細胞凋亡只對癌細胞有特異性 [圖一]。

圖一:PCC與TRAIL / Poly I:C的合併使用可以使癌細胞大量死亡,而正常細胞不受影響。
圖片來源:DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-20-2634

研究團隊更進一步利用異種移植 ( Xenograft ) 的黑色素癌小鼠模型發現,PCC與Poly I:C合併使用可以使腫瘤體積顯著地縮小。團隊也利用TUNEL ( Terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling ) 及 Caspase-8 免疫染色發現,與控制組及只有經過PCC或Poly I:C處理的實驗組相比,PCC+Poly I:C使癌細胞產生較多的DNA雙股斷裂及Caspase-8的表現 [註六、註七],顯示此路徑的細胞凋亡與Caspase-8蛋白具有關聯性。除此之外,在TNF-α或IFN-γ的存在下,PCC也可以增加癌細胞的細胞凋亡。

由於已經觀察到PCC克服癌細胞抗性的現象,因此團隊認為PCC也許可以和T細胞免疫療法合併使用。團隊利用活化過後的人類T細胞與PCC及黑色素瘤細胞共同培養。結果顯示PCC可以增加T細胞毒殺黑色素瘤細胞的能力。為了測試T細胞增加的毒殺能力是否來自於TNF-α,團隊也在實驗中加入了可以阻抗TNF-α的抗體,並發現抗TNF-α的抗體會使T細胞毒殺能力下降 [圖二],因此團隊認為PCC具有提高免疫療法效能之潛力。

圖二:在結晶紫實驗中顯示,PCC可以提高T細胞對黑色素瘤細胞的毒殺能力(顏色顯示較淺)。
圖片來源:DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-20-2634

為了進一步探討PCC與癌細胞凋亡之間的連結,團隊們著手研究其分子機制。結果顯示癌細胞中具有抗細胞凋亡的cFLIP蛋白質,其mRNA及蛋白表現量受PCC影響而下降;研究團隊更證實PCC調控的cFLIP表現是因為PCC可以抑制BET蛋白 ( Bromodomain and ExtraTerminal proteins )。先前研究已經證實BET蛋白的抑制劑JQ1可以促進c-FLIP蛋白的分解、並提升TRAIL蛋白調控的癌細胞凋亡 [5] ,因此本研究再次驗證只要透過抑制BET蛋白便可增加癌細胞凋亡。

團隊在此研究得出兩個結論:(1) PCC可以透過抑制BET及cFLIP蛋白,進而增加癌細胞凋亡。 (2) PCC可以提高T細胞毒殺癌細胞的能力,而此可以做為改善癌症免疫療法的方法之一。除此之外,研究團隊也推論正常細胞不受PCC的影響是因為正常細胞中的細胞凋亡相關蛋白表現量較低,以及有其他可以抵抗細胞凋亡的路徑,這也能說明正常細胞可以從PCC調控之Caspase-8依賴性的細胞凋亡中存活的原因。因此PCC具有可以與免疫療法合併使用的潛能,並提高免疫療法的功效;然而在臨床實驗的功效則需更多實驗證實。

註一:細胞凋亡是屬於細胞的程序性死亡 ( Porgrammed cell death ),過程包括被核酸酶切斷的DNA斷裂,細胞也會萎縮。引起凋亡的因素可以分成細胞外在或內在因素。外在因素包括死亡受器 ( Death receptor ) 的路徑被細胞外部的訊號活化,例如TNF-α。內在因素則包含無法被修復的DNA損傷。

註二: TRAIL ( TNF-related apoptosis-inducing ligand ) 為一種可以引起細胞凋亡的蛋白,屬於死亡受器蛋白的一員。

註三:ACHN是一種對TRAIL蛋白有抗性 ( TRAIL-resistant ) 的腎臟癌細胞,亦即原本TRAIL蛋白應引起的細胞凋亡無法在ACHN細胞中發揮作用。

註四:Poly I:C是一種可以在生物體外模仿病毒感染的免疫誘導劑,其可以與TLR3 ( Toll-like receptor 3 ) 結合,引發後續的免疫反應。

註五:TLR3可以與病毒的雙股RNA結合,並誘導第一型干擾素 ( Type I interferon )的轉錄甚至是細胞凋亡。

註六:TUNEL 是一種可以在細胞進行凋亡時,偵測雙股DNA斷裂的一種實驗方法。

註七:Caspase-8是一種蛋白酶,可以接受FADD蛋白 ( 是一種死亡受器 ) 的訊號,並活化後續的細胞凋亡。

圖片說明:PCC的分子結構
圖片來源:https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.7b00069

 

參考文獻:

  1. Atanasov, A. G., Zotchev, S. B., Dirsch, V. M., & Supuran, C. T. (2021). Natural products in drug discovery: Advances and opportunities. Nature Reviews Drug Discovery, 1-17. https://doi.org/10.1038/s41573-020-00114-z
  2. Deshpande, P., Gogia, N., & Singh, A. (2019). Exploring the efficacy of natural products in alleviating Alzheimer’s disease. Neural regeneration research, 14(8), 1321. DOI: 10.4103/1673-5374.253509
  3. Xu, Y. M., Brooks, A. D., Wijeratne, E. K., Henrich, C. J., Tewary, P., Sayers, T. J., & Gunatilaka, A. L. (2017). 17β-Hydroxywithanolides as sensitizers of renal carcinoma cells to tumor necrosis factor-α related apoptosis inducing ligand (TRAIL) mediated apoptosis: Structure–activity relationships. Journal of medicinal chemistry, 60(7), 3039-3051. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.7b00069
  4. Tewary, P., Brooks, A. D., Xu, Y. M., Wijeratne, E. K., Babyak, A. L., Back, T. C., … & Sayers, T. J. (2021). Small-molecule natural product Physachenolide C potentiates immunotherapy efficacy by targeting BET proteins. Cancer Research. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-20-2634
  5. Yao, W., Yue, P., Khuri, F. R., & Sun, S. Y. (2015). The BET bromodomain inhibitor, JQ1, facilitates c-FLIP degradation and enhances TRAIL-induced apoptosis independent of BRD4 and c-Myc inhibition. Oncotarget, 6(33), 34669. https://doi.org/10.18632/oncotarget.5785

撰文|蕭皓文
審稿|張智婷

About the author

蕭皓文

蕭皓文

目前就讀於日本東京大學醫科博士班,同時也是個免疫學家。目前的研究著重於免疫細胞分化的調控與癌症進程的分子機轉。曾在中研院參與兩年的免疫療法研究。

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