食管鱗狀細胞癌（OSCC）作為食道癌最常見的亞型（84%），仍然是全球腫瘤死亡的主要原因。東亞特別是中國的OSCC具有較高的發病率。由于缺乏典型的臨床癥狀和早期診斷技術，許多OSCC患者被診斷為晚期，不得不接受以順鉑（DPP）為基礎的化療，但其高耐藥率限制了臨床應用療效，其源頭機制尚不清楚。本研究的目的是闡明信號傳遞和代謝異常在食管鱗癌耐藥中的作用，尋找提高順鉑化療敏感性的靶向藥物。
2023年3月，同濟大學附屬東方醫院的徐美東教授與團隊在Journal of Experimental & Clinical Cancer Research (IF=12.658)期刊上發表題為“Targeting IGF1R signaling enhances the sensitivity of cisplatin by inhibiting proline and arginine metabolism in oesophageal squamous cell carcinoma under hypoxia”的文章，該研究揭示了通過IGF1R途徑上調ASS1和PYCR1的表達，靶向精氨酸和脯氨酸代謝，促進OSCC對DDP的耐藥，提示靶向IGF1R信號轉導的Linsitinib可能為DPP耐藥的OSCC患者提供有前景的聯合治療選擇。（麥特繪譜提供Q300全定量代謝組檢測服務）
OSCC患者IGF1R的表達在DDP耐藥中的作用
研究者通過轉錄組測序（RNA-seq）、腫瘤基因組圖譜（TCGA）數據庫、免疫組織化學（IHC）、實時定量聚合酶鏈式反應（RT-qPCR）和免疫印跡（WB）檢測食管鱗癌組織中上調基因的表達。分析發現食管鱗癌組織中胰島素樣生長因子-I受體（IGF1R）表達差異最顯著，并且高表達水平的IGF1R與腫瘤進程和預后差呈正相關，與缺氧條件下DDP抵抗有關。
隨后通過干擾IGF1R的表達探究其異常表達在DDP耐藥中的作用，體內體外實驗均發現了適度抑制OSCC增殖的能力。使用linsitinib聯合DDP對OSCC細胞的增殖具有協同抑制作用，這些協同效應在體外和體內也得到了體現?？偟膩碚f,抑制IGF1R的表達可顯著提高OSCC細胞對DDP的敏感性。
圖1. 體內和體外抑制IGF1R可增強OSCC在對DDP的敏感性
耐藥機制探討
代謝適應有助于癌細胞在缺氧微環境中的發育。接下來，通過整合代謝組學和基因組學分析，旨在找到缺氧條件下活化的代謝酶。一方面，在缺氧條件下，精氨酸琥珀酸合成酶1（ASS1，精氨酸代謝關鍵酶）和吡咯烷-5-羧酸還原酶1（PYCR1，負責脯氨酸合成）在腫瘤組織和細胞系中均有高表達。另一方面，代謝組學分析（Q300全定量代謝組技術）在細胞系中發現了45種異常積累的代謝物，通路分析顯示TCA循環和FAO被抑制，而糖酵解增強，這可能是缺氧導致ATP生成的穩態機制；另外，天冬氨酸-精氨酸-脯氨酸代謝也得到增強。該團隊此前研究天冬酰胺合成酶（ASNS），發現在OSCC中存在異常的天冬氨酸代謝，因此，本研究主要關注通過ASS1和PYCR1改變精氨酸/脯氨酸代謝。
首先發現ASS1和PYCR1在OSCC細胞系中表達最高，這與IGF1R一致，缺氧也以時間依賴性的方式刺激了這兩種酶的表達。此外，與癌旁組織相比，OSCC患者組織中ASS1/PYCR1蛋白表達上調，臨床上ASS1/PYCR1的高表達與腫瘤分期以及OSCC患者的無進展生存期相關，并且ASS1和PYCR1的表達與IGF1R呈正相關。那么ASS1和PYCR1是否受IGF1R的調控？
圖2. OSCC中代謝酶ASS1和PYCR1上調
進一步探究IGF1R調控ASS1和PYCR1表達的機制，通過體內體外抑制IGF1R的表達，發現ASS1/PYCR1均下調。信號通路分析發現，Ras/MAPK通路（促進多種細胞功能）和JAK/STAT通路的磷酸化水平顯著降低。此外，JAK和ERK1/2的下調伴隨著ASS1/PYCR1表達的降低，證實IGF1R通過這兩條信號通路調控ASS1/PYCR1。進一步確定這些轉錄因子（TFs）在缺氧時調節腫瘤代謝中的作用，發現只有磷酸化的c-MYC與ASS1/PYCR1通路和IGF1R通路有明確的調節關系。因此，缺氧條件下ASS1和PYCR1的表達改變是由IGF1R信號通路–c-MYC軸誘導的。
圖3. IGF1R通過其信號通路- c- MYC軸在缺氧條件下調控ASS1和PYCR1的表達
靶向精氨酸代謝/脯氨酸代謝的作用
為了進一步研究ASS1和PYCR1增強在DDP耐藥中的作用，通過干擾ASS1和PYCR1的表達，觀察到在體外和體內的增殖能力受到輕微抑制。與IGF1R抑制劑linsitinib的作用一致，shASS1/PYCR1在體外和體內均表現出與DDP協同抑制腫瘤增殖的作用。
利用代謝組學分析ASS1和PYCR1在代謝重編程中的作用，ASS1和PYCR1抑制誘導的異常與精氨酸/脯氨酸代謝密切相關。更具體地說，shRNA-PYCR1細胞中的脯氨酸水平降低，shRNA-ASS1細胞中的精氨酸水平降低。此外，與對照組（control+DDP）相比，補充外源精氨酸后shASS1 + DDP或linsitinib + DDP被抑制的增殖能力得到部分恢復。這些數據表明，IGF1R在缺氧條件下通過調節ASS1促進精氨酸代謝，導致精氨酸積累，作為維持化療期間增殖能力的生物合成前體。
然而，外源脯氨酸在shPYCR1 + DDP或linsitinib + DDP組中未能挽救增殖，說明增強的脯氨酸代謝可能以其他方式促進腫瘤細胞對DDP的抵抗，而不是脯氨酸的積累。
已有研究證實，PYCR1催化脯氨酸合成伴隨著NAD+的生物合成，在維持氧化還原平衡中起著關鍵作用。理論上，低氧對TCA循環的損害不僅會導致ATP生成減少，還會導致多種中間代謝物在TCA循環中的積累減少，從而抑制合成代謝前體的合成，最終抑制細胞增殖。那么通過PYCR1增強脯氨酸代謝的NAD+是否補償了TCA循環？結果正如預期，PYCR1表達的減弱抑制了NAD+水平。最后，在DDP+shPYCR1中添加外源性丙酮酸，逆轉了shPYCR1+DDP對細胞增殖的抑制作用。因此，IGF1R通過調節PYCR1促進脯氨酸代謝，提供足夠的NAD+維持TCA循環中的氧化還原平衡，最終造成化療期間的細胞增殖，靶向IGF1R信號通路可逆轉其影響。
圖4. 低氧條件下IGF1R通過靶向的精氨酸和脯氨酸代謝降低OSCC細胞對DDP的敏感性
小結
本研究發現激活的IGF1R通路在低氧微環境下的OSCC化療耐藥中發揮重要作用。臨床上，IGF1R表達增強與OSCC患者腫瘤分期高、預后差相關，其抑制劑linsitinib在體內和體外均與DDP治療有協同作用。由于缺氧常導致代謝重編程，研究人員通過代謝組學分析進一步了解到，異常的IGF1R通路通過c-MYC的轉錄活性促進代謝酶ASS1和PYCR1的表達。具體而言，ASS1的表達增強促進精氨酸代謝以進行生物合成代謝，而PYCR1則激活脯氨酸代謝以維持氧化還原平衡。最終，異常信號傳遞結合代謝重編程導致DDP耐藥性。因此，靶向IGF1R通路及相關代謝改變可能改善DDP在OSCC中的治療效果，或可成為一種基于DDP的更有效的化療新策略。
圖5. 本研究圖解總結
參考文獻
Kang Fang et al. Targeting IGF1R signaling enhances the sensitivity of cisplatin by inhibiting proline and arginine metabolism in oesophageal squamous cell carcinoma under hypoxia. J Exp Clin Cancer Res. 2023 Mar 28;42 (1):73.
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