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藥物競爭—巨噬細胞代謝物協助癌細胞抵抗化療

  Gemcitabine (健澤) 為治療胰臟癌的第一線用藥,也同時應用於非小細胞癌 (non-small cell lung cancer)、膀胱癌等癌症。做為化療藥物的 Gemcitabine 有著與 DNA原料之一的嘧啶 (pyrimidine) 類似的結構,透過細胞攝取進入細胞後經由 deoxycytidine kinase (DCK)  [註一] 等激酶磷酸化,形成與 dCTP 相似的 dFdCTP。然後 dFdCTP 將結合在複製中的 DNA 上,相似卻錯誤的鹼基結構猶如錯誤的積木般,使聚合酶無法繼續聚合 DNA 而停止複製,最終導致癌細胞死亡[1]。然而,Gemcitabine 的治療卻被發現抗藥性,而相關的研究也正在釐清背後的機制[2]。其中,先前的研究顯示腫瘤相關巨噬細胞 (tumor-associated macrophage, TAM) [註二]  在抗藥性行程中扮演著重要的角色,能夠間接的誘導癌細胞對 Gemcitabine 產生抗藥性[3]

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註一:DCK為一種磷酸化激脢,能夠磷酸化 deoxycytidine ,並最終成為 dCTP 為 DNA 合成的材料。

註二:腫瘤相關巨噬細胞為在腫瘤周遭環境中發現的巨噬細胞。腫瘤周遭會吸引單核球進入癌細胞區域並分化為發炎性的巨噬細胞欲清除環境中的癌細胞。然而癌細胞透過抑制性訊號,將巨噬細胞轉化為偏向不發炎的型態。腫瘤相關巨噬細胞與腫瘤微環境中的抑制性訊號、細胞大量分化與血管新生都有很大的關聯,是近年熱門的癌症免疫學的研究方向之一。

  來自密西根大學 Dr. Christopher J. Halbrook 與他的團隊[4]為了建立實驗模式,利用胰臟癌細胞的培養液 (condtioned medium),使骨髓誘導巨噬細胞 (bone-marrow derived macrophage, BMDM) 分化為腫瘤教育巨噬細胞 (tumor-educated macrophage, TEM) [註三]。分析後發現 TEM 的培養液中與嘧啶有關的代謝物大量上升,而且當癌細胞使用培養 TEM 後收集的培養液培養,Gemcitabine 對癌細胞的毒殺率大幅的下降,顯示 TEM 釋出的物質與癌細胞的抗藥性有關。研究團隊由代謝物的角度切入,分別在癌細胞培養基中加入 TEM 上清液測得的代謝產物後,發現 TEM 分泌的 deoxycytidine 為產生抗藥性最主要的原因。Deoxycytidine 被癌細胞運送至細胞內後,將透過競爭 DCK 降低 Gemcitabine 被磷酸化的機會, 使 Gemcitabine 囤積在細胞內外而無法作用。此外,deoxycytidine 也可以降低部分類似結構的抗癌藥物 (5-aza-deoxycytidine、Trifluorothymidine) 的毒殺效果。

註三:TEM 為利用癌細胞培養液所誘導分化的巨噬細胞,與 TAM 有類似的性質,是控制下的實驗模型。

  隨後,研究團隊分析 TEM 的代謝方式,發現與 M2 [註四] 巨噬細胞相似,TAM 透過 TCA cycle 與氧化脂肪酸 (fatty acid oxidation) 獲得能量,並發現透過抑制糖解作用、pentose phosphate pathway 訊息傳遞鍊或是直接抑制嘧啶的合成 [註五],都能有效的增加 Gemcitabine 的作用。在小鼠的腫瘤實驗中,移除髓細胞 (myeloid cell) 後,給予 Gemcitabine 的效果明顯比未移除的組別有治療效果,顯示髓細胞分化的細胞協助了癌細胞的抗藥性。而在臨床的治療上也發現了同樣的現象,TAM 越多的病人療效越差,也降低存活率。

註四:巨噬細胞在研究中被大致分為兩種傾向,一是受到病原體或是病原相關分子模式 (pathogen-associated molecular pattern, PAMPs) 刺激的發炎模式,二是發炎後協助組織修復的非發炎模式。為了方便研究巨噬細胞,研究人員普遍透過刺激骨髓幹細胞為 BMDM (M0),經過刺激為發炎傾向的為 M1,為非發炎傾向的為 M2。

註五:PPP 是嘧啶合成中 ribose 的主要來源。

  代謝方式的不同將影響著細胞的功能與分化,先前研究亦發現癌細胞能夠影響免疫細胞的分化,使免疫細胞有利於癌細胞的增長。而本篇研究將代謝與抗藥性做結合,發現腫瘤相關巨噬細胞透過代謝的方式,來使癌細胞能夠抵抗 Gemcitabine。顯示了巨噬細胞在腫瘤的進展中扮演著協助癌細胞生長的角色,雖然癌細胞如何影響巨噬細胞的代謝產物還有待釐清,但這項發現給予我們對於癌症治療上一個新的方向,也告訴了我們免疫細胞的功能與代謝在腫瘤佔有重要的地位。

 

圖片說明:由癌細胞誘導而成的腫瘤相關巨噬細胞,能透過代謝的方式產生 deoxycytidine ,來競爭 DCK 的磷酸化,而使同樣需要 DCK 磷酸化的 gemcitabine 失去效果。 圖片來源:doi:10.1016/j.cmet.2019.02.001

參考文獻:

  1. de Sousa Cavalcante, L., & Monteiro, G. (2014). Gemcitabine: metabolism and molecular mechanisms of action, sensitivity and chemoresistance in pancreatic cancer. Eur J Pharmacol, 741, 8-16. https://doi.org/10.1016/j.ejphar.2014.07.041
  2. Amrutkar, M., & Gladhaug, I. P. (2017). Pancreatic Cancer Chemoresistance to Gemcitabine. Cancers (Basel), 9(11). doi: https://doi.org/10.3390/cancers9110157
  3. Weizman, N., Krelin, Y., Shabtay-Orbach, A., Amit, M., Binenbaum, Y., Wong, R. J., & Gil, Z. (2014). Macrophages mediate gemcitabine resistance of pancreatic adenocarcinoma by upregulating cytidine deaminase. Oncogene, 33(29), 3812-3819. doi: https://doi.org/10.1038/onc.2013.357
  4. Halbrook, C. J., Pontious, C., Kovalenko, I., Lapienyte, L., Dreyer, S., Lee, H. J., . . . Lyssiotis, C. A. (2019). Macrophage-Released Pyrimidines Inhibit Gemcitabine Therapy in Pancreatic Cancer. Cell Metab, 29(6), 1390-1399 e1396. doi: https://doi.org/10.1016/j.cmet.2019.02.001

撰文|王翊豪
審稿|蔡宗霖

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王翊豪

東海大學學生,曾於國家衛生研究院實習。喜好未知以及新奇領域的研究,並希望將知識能夠推廣給更多的人。研究領域上喜好免疫及病毒學。期待遇到更多相同興趣的人,交流更多的想法以及認識彼此。

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