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【科学新闻】专题报道:癌症细胞表面的糖将成为治疗的新目标 2017-03-28 13:39:10

肿瘤细胞表面一些蛋白质和糖与免疫细胞结合,会使其对肿瘤失去杀伤作用。目前的免疫治疗阻止肿瘤细胞上的PD-L1蛋白和T细胞上的PD-1蛋白之间的相互作用,以唤醒免疫系统对肿瘤细胞的杀伤作用。与此同时,新一轮的治疗方法通过阻断肿瘤上的唾液酸糖与天然杀伤细胞和其它先天免疫细胞上的糖结合蛋白Siglec之间的连接激活免疫系统对肿瘤细胞的杀伤作用。 

打个比方,如果你能把自己收缩的足够小降落在细胞的表面上,你会看到细胞表面就像地球的的表面一样并不平滑。脂肪或脂质靠近细胞表面,就像草和灌木靠近地面一样;蛋白质就像高大的橡树或棕榈树一样高耸于灌木丛之中。但是,在区别低平的脂质与高耸的蛋白质之时,你会看到一种东西装饰这些分子,它就是糖。

如果蛋白质是树木,那么糖就是大树叉枝上的小分支,或者是棕榈树的大叶子。斯坦福大学化学家伯托齐说:“细胞表面被糖所包裹。 病毒,细菌和其它细胞到达靶向细胞时首先遇到的是糖。” 

附着于细胞表面蛋白质和脂质上的糖通常具有精细的结构。在这些结构中编码的信息有助于细胞识别彼此,并在绝大多数组织和器官系统中传递信息。然而,与生命的其它组成成分蛋白质,脂质和核酸相比,糖在研究中并没有受到足够的重视。 伯托齐说,大多数糖是非常复杂的,许多科学家不具有了解它们的基本生物学的能力。 “他们从而转向研究其它的目标。” 

然而,伯托齐是一小群科学家中的一员,他们的职业生涯沉浸在研究糖之中。他们的一些研究已经为治疗癌症提供了新的见解:针对肿瘤细胞表面的糖会大大提高新一类癌症药物的疗效。 

目前,最令人振奋的抗击癌症的措施是免疫治疗,这种方法是通过唤醒身体防御系统攻击肿瘤的药物,这些疗法着重于阻断那些抑制免疫系统的蛋白质之间的相互作用。免疫治疗已经帮助了数千名其它方法治疗无效的癌症患者,包括美国前总统吉米·卡特,他在2015年和2016年因为患晚期黑素瘤接受了免疫治疗。 

但是到目前为止,这些称为免疫检查点阻滞剂的药物只能治疗某些癌症中的部分患者,如黑素瘤,肾癌和非小细胞肺癌。估计10%至20%的接受这些药物治疗的癌症患者会从中受益。 

新一轮的免疫治疗旨在针对癌症细胞表面的糖而不是蛋白质。研究人员希望这些新方法能够使唤醒新的战士参与对抗癌症的战斗,这些新的战士是免疫系统的完全不同的一部分。

目前的蛋白质靶向免疫治疗的作用是激活杀伤性T细胞,这是身体适应性免疫系统的一部分,对入侵身体的外来者具有记忆功能,并具有应对特定威胁的能力(即特异性)。

针对糖的靶向药物会唤醒先天免疫系统的细胞,如天然杀伤细胞和巨噬细胞。先天免疫细胞保护身体免受坏分子的伤害,这类坏分子可能是流感病毒或癌症细胞。在保护身体不受伤害时,先天免疫细胞比T细胞更早更快地发挥作用,但并不像适应性免疫一样具有特异性(即非特异性)。在保护身体方面,先天免疫系统和适应性免疫系统可以起到互补的作用。 

聪明的伪装

在使免疫细胞区分自身与外来物质并知道攻击什么目标的过程中,糖起着关键的作用。 一类称为唾液酸的细胞表面糖,将身体的细胞标记为“自我”。唾液酸具有一系列生物功能,它们的作用非常重要,如果小鼠在胚胎发育中不能合成这些糖则会死在子宫内。

对我们身体的防御系统来说,细胞表面的糖是一种分子指纹,它会告诉来回巡逻的免疫细胞,“这是好的,到别处去看看“。 某些病原体,如导致淋病或链球菌感染的细菌,可以利用这一点,它们用唾液酸包裹自己以躲避免疫系统的攻击。 科学家几年前就想知道肿瘤是否可以使用类似的技巧。美国加州大学圣地亚哥分校的糖尿病学家瓦奇说:“我们认为,如果细菌能这样做,也许癌细胞也可以这样做。”

这种推测源于研究人员多年前广泛观察到的奇怪现象:唾液酸以不寻常的方式在肿瘤细胞表面聚集。观察到这样的现象引起了伯托齐的兴趣。在20世纪90年代末期,当她在加利福尼亚大学伯克利分校刚建立自己的实验室时,她就认为唾液酸是癌症的潜在标志物。作为在活体生物系统内设计化学反应标记分子的专家,伯托齐想过开发一种测量过量唾液酸的早期检测方法。

尽管很多研究将癌症与细胞表面糖过度增多联系起来。然而,没有一项研究解释什么原因使唾液酸升高或为什么它是重要的。 伯托齐说“它的生物学后果是什么?,我们并不知道,“。因此,她的检测癌症的想法并没有付诸于行动。

2010年,伯托齐在【免疫学杂志】上读到一篇文章。在这项研究中,研究人员将唾液酸从肿瘤细胞表面剥离,看到自然杀伤细胞被唤醒并攻击肿瘤细胞。对研究人员而言,这样的发现令人惊叹:唾液酸可以保护肿瘤细胞免受免疫系统的杀伤。 

聚点成线

在伯托齐对唾液酸感到困惑期间,有一些研究团队已经花了几十年时间研究免疫细胞识别和结合这些糖。

英国苏格兰邓迪大学的免疫学家克罗克一直研究巨噬细胞,这是参与早期应答的身体先天免疫系统的一部分。巨噬细胞用类似粘性手臂的方式发现并吞噬病原体和死亡细胞。1986年,克罗克在研究中发现了一种使巨噬细胞具有粘性的蛋白质。因为它与细胞表面的唾液酸结合,因此研究人员将其命名为唾液酸结合素。进一步的研究发现这种蛋白质并不是一个孤独的游侠,它是已知可以帮助免疫细胞相互之间传递信号的大家族蛋白质中的一员。克罗克说,“那是一个突破性的时刻”。 

1993年,瓦奇及其同事发现了适应性免疫系统中的B免疫细胞可以识别唾液酸。B细胞帮助T细胞发挥作用,B细胞表面一种称为CD22的蛋白质与细胞表面的唾液酸结合。

以后多个研究发现了更多的具有相似特征的免疫细胞表面的蛋白质。 共有14种蛋白质,称为“Siglecs”,这是一组与唾液酸糖结合的免疫细胞分子。最开始发现的sialoadhesin和CD22被称为Siglec-1和Siglec-2。 

当在自然杀伤(NK)细胞上发现Siglec-7时,克罗克的注意力放在癌症上面。 他说,“NK细胞以保护身体抵抗防治肿瘤而出名”。

到2014年,三篇文章证实,克罗克转向专注于癌症是有道理的。瓦奇的实验室和瑞士伯尔尼大学Stephan von Gunten领导的团队分析了来自各种癌症患者的活检标本。这些研究表明,肿瘤细胞表面的唾液酸的确可以与先天免疫细胞上的Siglecs结合。 

细胞表面的糖类似于斗篷。当唾液酸与NK细胞表面的Siglecs结合时,这些免疫细胞丧失了抗癌能力, 这在常规的细胞培养试验中混合免疫细胞与放射性标记肿瘤细胞的实验中得到证实。当NK细胞攻击肿瘤细胞时,肿瘤细胞会破裂并释放放射性物质到细胞培养液中。但当NK活性较弱时,释放到细胞培养液中的放射性物质较少。 

伯托齐及其同事通过调控细胞唾液酸水平的方法,进一步支持细胞斗篷的想法。该研究系统是一种人工系统,把合成的糖分子覆盖在人的癌细胞表面,这样可以清楚地发现原因和其导致的结果。通过增加细胞表面的唾液酸可以保护细胞免受NK杀伤。该研究发表在2014年的【自然化学生物学】杂志上。

另外,多个实验室的证据表明,肿瘤可以通过唾液酸覆盖自身而免受免疫系统的攻击,因此应该设计把免疫细胞从糖诱导的昏迷中唤醒的癌症治疗方法。 

难以预测的复杂性

瓦奇说,在区分肿瘤细胞与正常细胞的表面分子方面,糖的作用远远超过蛋白质。 因此人们会认为糖会更容易成为药物作用的目标。 但困难的是,糖比蛋白质更难研究。

蛋白质和糖均依靠三维结构的形式发挥作用。 一旦研究人员知道了蛋白质的序列就可以预测其结构。但对于糖来说,这是不可能的。 糖的形状和结构是由一系列难以预测的酶反应决定的。 不同的细胞启动不同的糖修饰酶,所以相同的糖可能会有不同的构象。 瓦奇说:“糖的复杂程度是蛋白质的成千上万倍(如果不是数百万倍的话)。 

这些结构差异影响糖与蛋白质和脂质结合的能力。 而这些相互作用可能会影响细胞的生死,例如保护癌细胞免受免疫细胞的攻击。 

糖是生物世界的“暗物质”,瓦奇说。 它们“影响一切,但很难研究它们”。 

另一个免疫检查点

使问题更为复杂的是,糖如唾液酸只是肿瘤细胞表面条形码的一部分。其它成分如蛋白质也会告诉免疫细胞是否进行攻击或走开。目前的免疫治疗通过影响某些蛋白质来唤醒免疫细胞以抵抗癌症。伯托齐和其他人认为他们可以应用类似的策略来针对癌症细胞表面的糖。 

基于蛋白质的免疫治疗通过使免疫细胞上的细胞“关闭”开关失效而起作用。其中一个开关涉及T细胞表面上称为PD-1的蛋白质。当PD-1与肿瘤细胞上的蛋白质PD-L1结合时,T细胞的功能被关闭,因此对癌症无能为力。 

Siglecs起着和PD-1相似的作用,但主要是在天然杀伤细胞和巨噬细胞上而不是在T细胞上。肿瘤细胞上的唾液酸就像PD-L1一样发挥作用。正如现有的免疫治疗药物阻断PD-1一样,可以设计新的治疗方法来阻止Siglecs,使先天免疫细胞的功能不会被关闭。事实上,生物技术公司正在探索这些和其他以糖为中心的治疗方法。 

但是阻断太多免疫系统的关闭开关可能是危险的。他们有一个重要的功能:防止由于T细胞过度激活而触发的自身免疫性疾病。 

伯托齐及其同事的关注点并不在免疫细胞上的Siglecs,而是关注肿瘤细胞上的唾液酸。只要肿瘤细胞表面覆盖着厚厚的唾液酸,免疫细胞就不会碰它了。 “如果你能脱掉癌症细胞表面的那些糖,免疫系统就可以识别癌细胞并杀死它们。” 

包括人类和一些微生物在内的许多生物都具有将唾液酸从较大的碳水化合物,蛋白质或脂质分子的末端剪切出来的酶。 其中一个称为唾液酸酶。

最为关键一点是找到一种将唾液酸酶特异性地引向肿瘤细胞的方法,而不会影响其它细胞。 

编辑癌细胞

为了能使唾液酸酶作用在肿瘤细胞上,伯托齐及其同事利用一种重要的癌症药物赫赛汀(Herceptin)。 赫赛汀是一种抗体,它可以识别许多乳腺癌细胞表面称为HER2的蛋白质。 当抗体与HER2结合时,可以把癌症细胞标识出来,这样就会被先天免疫细胞如天然杀伤细胞和巨噬细胞破坏。由于赫赛汀更多地和癌症细胞结合,而和正常细胞结合得很少,伯托齐认为它可以作为将唾液酸酶传递给肿瘤的装置。

伯托齐的研究小组使用她们实验室开发的在抗体上添加小分子的方法,将唾液酸酶与赫赛汀抗体结合在一起。伯托齐解释说,当药物结合在肿瘤细胞上的HER2蛋白上时,唾液酸酶修剪唾液酸就像化学割草机一样发挥作用。 

这项研究结果发表在【美国科学院院刊】上,这个策略在实验室中看起来很有前途,但在人身上测试之前,它还需要进一步地完善。其中一点涉及抗体的靶标HER2。尽管它在乳腺癌细胞中过多表达,但是在一些正常细胞中也会有低水平的蛋白质。因此,这个“割草机”可能会在正常细胞上去掉唾液酸,而唾液酸是这些细胞发挥正常功能所需要的,这样以来会出现副作用。 

另一个问题:这种基因工程分子含有细菌唾液酸酶,就像进入我们身体的其它外来蛋白一样,可能会引发剧烈的免疫反应。 瓦奇说,抗体 - 酶组合“在原理上是很好的”,可以编辑癌细胞上的分子。 “但是,我不认为多次注射是可行的。” 

伯托齐也考虑过同样的问题。自从发展了1.0版的化学割草机以来,她的实验室已经创建了2.0版,目前正在动物模型中进行测试。 伯托齐说,3.0版本会将抗体与人的唾液酸酶融合,这不太可能引发免疫反应。她的团队还致力于将唾液酸酶连接到结合其它抗体上,目的是将酶引导到不同种类的肿瘤细胞上。 

巨噬细胞的两面性

与此同时,还有其它潜伏在肿瘤细胞的糖衣中的秘密。其中一个出现在2016年11月发表的【自然免疫学】中的一项研究中。英国伦敦国王学院生物学家布尔切尔领导的小组正在研究一种称为MUC1蛋白质,有很多糖结合在它上面,包括唾液酸。这种蛋白质出现在肺,胃,肠,眼睛和其它器官中正常上皮细胞的表面。修饰形式的MUC1出现在各种癌细胞上。已知巨噬细胞表面的Siglec-9可以与肿瘤特异性版本的MUC1结合。 

研究人员发现,当这些不正常的MUC1与巨噬细胞上的Siglec-9结合时,巨噬细胞被引入发呆状态中。这样的结合会使巨噬细胞安静下来从而不能杀伤肿瘤细胞。以前研究人员已经知道,巨噬细胞在肿瘤周围处于这种奇怪的状态,但是这项研究表明,MUC1推动了它的功能转化。 

MUC1-Siglec-9相互作用不仅关闭了巨噬细胞的活动,而且使本来就表达一些PD-L1的巨噬细胞表达更多的PD-L1。这个发现提出了一个新问题,因为PD-L1是一些免疫治疗的目标。 

目前的免疫治疗通过阻断PD-1和PD-L1之间的结合而激活T细胞来攻击肿瘤细胞。布尔切尔计划与一家公司合作测试如果阻断Siglec-9是否可以减缓小鼠的肿瘤生长。瓦奇在美国马萨诸塞州牛顿市建立了一家公司,目标是设计针对癌细胞上其它异常糖的疗法。目前,这些药物都还没有进入人体测试。 

过去几十年来,唾液酸方面的研究工作可能只是处在类似茂密森林的边缘。 伯托齐说,很可能其它的糖也形成斗篷来掩护肿瘤细胞免受免疫攻击。 想把这些见解转化为实际的治疗方法,将需要更多的生物学家进入研究糖的领域,并比以往任何时候都更加深入地研究。 伯托齐对此充满了希望:“我们可能正处在进入这一阶段的突破点上。” 

https://www.sciencenews.org/article/cancer-cells-cast-sweet-spell-immune-system 

 


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