肿瘤治疗药物耐药的细胞机制

一、原发耐药与获得性耐药

       如下图47-1所示描述了各种细胞耐药机制，这些机制可以是原发性的(即在肿瘤组织中从一开始的构成表达）或获得性（即通过肿瘤细胞群体中基因表达的突变或诱导形成 ），大多都在治疗后。原发性耐药一般是指细胞防御机制的既有表达，这些机制也存在于癌症起源的正常组织中。

       

      在致癌机制的情况下，原发性耐药和获得性耐药之间的区别是模糊的，如p53的突变和易位导致抗凋亡蛋白BCL-2的高活性。这些致癌突变会抑制正常的细胞凋亡机制，因此具有引起癌症和抵抗抗癌疗法的双重作用，这需要细胞凋亡c信号来杀死癌细胞。癌症的组织微环境，涉及细胞-细胞和细胞-基质的相互作用，也可能通过抑制细胞凋亡的途径导致对肿瘤治疗耐药。

图47-1：细胞耐药机制

表47-1：全身癌症治疗失败的原因

二、耐药基因

      癌症的特征之一是遗传不稳定，导致各种遗传畸变，包括非整倍体突变，点突变，缺失，基因扩增和染色体易位等。这些结果导致癌症中明显的克隆异质性，导致基因和蛋白质表达的改变，以及原发癌、转移瘤和治疗后复发肿瘤的细胞群体之间的实质性多样性。

三、表观遗传学和耐药性

  

       除了选择耐药突变外，获得性的耐药还可以通过表观遗传变化、耐药基因表达的诱导而发展。例如，各种细胞应激，包括暴露于电离辐射和化疗，已被证明可以增加多药物转运体基因MDR1/ABCB1的表达。这些表观遗传机制，如DNA甲基化和组蛋白修饰，可以促进基因表达的异质性，也提供了针对表观基因组的vorinostat and decitabine 等药物逆转耐药性的可能性。MicroRNAs是一个可以改变耐药性的表观遗传调节的靶点。因此，miR-200家族的下调会导致上皮间充质过渡(EMT)和小管-3(TUBB3)的上调，从而赋予对分类烷药物的耐药性癌症干细胞(CSCs)是癌症中细胞的一个亚群，它具有持续增殖的能力，并被认为是导致癌症生长的主要原因。CSCs通常具有EMT表型和许多生存机制的上调，包括药物转运体和对细胞凋亡的耐药性。

 

四、肿瘤基质、细胞间细胞的相互作用和耐药性

      肿瘤的微环境，特别是间质细胞与癌细胞的相互作用已被证明可以增强耐药性。这种效应的潜在机制是保护由肿瘤微环境的细胞和非细胞成分介导的细胞死亡或细胞凋亡。这些基质成分包括细胞外基质中的细胞粘附分子、趋化因子，如CSCL12和整合素。肿瘤相关成纤维细胞和恶性细胞之间的相互干扰作用部分通过细胞与纤维连蛋白的粘附来促进细胞进展和细胞生存。

五、药物外流转运

      在人类基因组中大约有50个ABC转运体(ATP结合盒式膜蛋白)。这些转运体的几种缺陷形式是导致人类遗传性疾病的原因，如囊性纤维化和杜宾约翰逊综合征。ABC转运体家族的几个成员能够排出小分子，包括抗癌药物，从而有助于其耐药性。主要的耐药性ABC转运蛋白基因包括MDR1/ABCB1、MRP/ABCC亚群的几个成员和ABCG2。

    

        P-糖蛋白(P-gp)是MDR1/ABCB1基因的产物，是最流行的ABC耐药转运体，并得到了广泛的研究。该蛋白的分子质量为180kDa，具有12个跨膜段和两个胞质内ATP结合结构域（图47-2）。高分辨率电子显微镜显示，跨膜片段形成了一个孔，并在这个孔内发现了药物结合位点。药物进入转运体被认为是通过细胞质和膜内的扩散发生的。P-gp是一种具有非常广泛的底物特异性的转运体，包括大约三分之一的抗癌药物，以及许多在其他医学领域使用的其他药物。药物的活性流出是通过ATP转化为ADP来介导。关于药物挤压的分子机制的理论包括ATP酶介导的蛋白质构象变化，产生“轻脱酶”作用，将底物药物暴露在细胞外环境中，以及“膜”“真空吸尘器”的功能，其中药物通过双脂质膜进入转运体。70P-gp在细胞模型中的转染证实了该基因在赋予多药药性中的直接作用。

图47-2P-糖蛋白（P-gp）的结构和作用机制。(A)显示12个跨膜段、两个核苷酸结合结构域(NBDs)和细胞外糖基化的磷磷图。(B)P-gp形成一个中心孔，需要ATP酶活性来将药物泵出细胞。(C)P-gp功能抑制剂防止药物流出，导致细胞内药物积累增加，增强多耐药细胞的杀戮。

       p-gp在许多正常组织中表达，它作为药物吸收的障碍（小肠和结肠)，组织进入的障碍(中枢神经系统、睾丸和胎盘），并促进药物排泄(肝脏胆道和肾近端小管。它在由这些组织产生的癌症（结直肠、肾）中也高度表达，是这些癌症耐药性的组成机制之一。

    

      p-gp在癌症中的表达导致一种经典的多耐药表型，对蛋白质转运基底的药物具有高度的耐药性。这些药物基物包括蒽环类（阿霉素、柔霉素、依鲁比素和依鲁比素)、文卡生物碱（长春新碱、长春新碱、长春碱）、紫杉烷（紫杉醇、多西紫杉醇）、上叶毒素（肌苷、替波苷）、米替沙酮和达丁霉素。多个更新的靶向药物，如伊马替尼，也是P-gp的转运底物。

     

       P-gp在耐药性中的临床意义表明，其表达在许多肿瘤类型的患者中提供了不良预后，包括急性骨髓样白血病(AMLs)、急性淋巴样白血病、淋巴瘤、骨髓瘤、乳腺癌和卵巢癌以及肌瘤。9,75-81在AML中，P-gp在60岁以上患者中表达，而60岁以下患者为30%至40%，其表达与完全缓解率降低和生存率缩短相关。在乳腺癌中，P-gp表达发生在40%至50%的标本中，并与P-gp底物药物（紫杉烷和蒽环类）的缓解率降低有关。有证据表明，耐药(MDR)亚克隆，MDR相关化疗药物复发后，p-gp表达在白血病和乳腺癌中更频繁。

     

       这些逆转或调节MDR的临床试验使用了各种竞争性和非竞争性磷酸抑制剂，包括维拉帕米、环孢素、奎宁、环孢素类似瓦尔斯波达等。一般来说，这些尝试并没有得到被证明的临床益处。这些失败的原因有多重，包括：由于对正常组织的毒性，MDR逆转剂的浓度不足，缺乏P-gp抑制的特异性，导致药物相互作用和非目标效应，使用未选择的患者人群，包括没有表达P-gp的患者，以及其他耐药机制的共同表达。一个特别有问题的问题是环孢子素和其他ABC转运体的其他MDR抑制剂以及混合功能氧化酶CYP3A4的共同抑制，导致需要在试图敏感P-gp表达的癌细胞的同时减少化疗药物的剂量。尽管存在这些问题，在一个随机临床试验中，环孢子素已被证明可以中度提高完全缓解率，并显著延长生存率。一种对P-gp更有效和特异性的抑制剂佐苏奎达并没有延长AML的存活期，尽管本试验的给药时间不理想。

   

        MRP或ABCC基因家族的几个成员也起到了药物转运体的作用。MDR相关蛋白蛋白(MRP1/ABCC1基因)对蒽环类、长春生物碱和上叶毒素具有抗性，并优先转运底药物的谷胱甘肽结合物。一般来说，MRP1与临床耐药性和预后不如MDR1密切相关，而与MRP1相关的逆转耐药性的临床策略尚未制定。MRP2/ABCC2基因编码犬窝状多重有机阴离子转运体，该转运体在胆道中高水平表达，并转运葡萄糖醛酸和谷胱甘肽结合物，包括蒽环类药物。它在抗癌药物的肝排泄中起作用，但其耐药作用尚不清楚。其遗传性缺陷可导致杜宾-约翰逊综合征。由MRP3/ABCC3基因编码的转运体对上叶毒素和甲氨蝶呤具有低水平的抗性。MRP4/ABCC4和MRP5/ABCC5对阴离子嘌呤和其他核苷酸类似物及其代谢物具有抗药性。

     

      ABCG2(BCRP)是ABC家族的另一个成员，与蒽二酮药物米托沙酮和露营菌素的临床耐药性有关。该转运体大小为72kDa，不到ABCB和ABCC亚群的一半大小，被认为其功能需要二聚化。在AML中表达不同，是该疾病的阴性预后因素。结合P-gp，ABCG2在正常造血干细胞和白血病干细胞中共同表达，是癌症干细胞的标记。

目前正在研究ABCB1和其他ABC转运体DNA序列的多态性，以研究它们与药物处置、有效性和毒性的关系。ABCB1基因(C1236T、C236T、G277T和C3435T)的单核苷酸多态性与药物吸收或处置的改变有关，对AML患者没有影响完全缓解和生存率。我们继续研究ABC转运蛋白家族在抗癌耐药性中的作用和临床意义。参与铜流出的两种膜蛋白，ATP7A和ATP7B，已被证明也能转运铂药物，并促进对顺铂、卡铂和奥沙利铂的抗药性。

六、药物摄入量不良

      大多数抗癌药物的细胞进入都是通过被动扩散进行的。然而，一些药物也被膜蛋白转运到细胞中，这些蛋白质的表达和活性是细胞敏感性或耐药性的决定因素。甲氨蝶呤通过降低的叶酸载体进入细胞，而该蛋白的表达降低会导致对该药物的相对耐药性。在一些对铂药物耐药的细胞中也观察到药物摄取减少。主要的铜流入转运体CTR1与顺铂、卡铂和奥沙利铂的细胞内积累的调节有关。

七：分子靶点的突变或改变的表达

      如前所述，将基因扩增作为遗传现象和获得性耐药机制的第一个描述是在暴露于甲氨蝶呤浓度增加的细胞系中发现扩增的二氢叶酸还原酶(DHFR)基因。在甲氨蝶呤抗细胞中的DNA染色体外片段中，称为染色体双分钟染色体(DMs)。这些细胞中的耐药性不稳定，因为DMs通常在没有药物选择的情况下不会被复制。随后，其他甲氨蝶呤抗药细胞被发现在“均匀染色区域”或HSRs的区域，将多个DHFR的基因拷贝整合到基因组中。HSRs更为稳定，因为它们被整合到基因组中，并包含在DNA复制的正常过程中。

       几种重要的抗癌药物（文卡、紫杉烷、环苯酮)通过与β微管结合并改变微管的动态不稳定性(图47-3）。β微管的改变，包括β管亚型比例的突变和变化，特别是III类亚型，都与对分类烷的耐药性有关。生物碱抑制微管聚合，因此与稳定聚合微管的紫杉烷和环苯酮有相反的作用。这些相反的作用机制可能反映在小管蛋白含量或等型表达的变化对vinca和分类烷敏感性的相互影响中，对一种药物的耐药性以及对另一种药物的敏感性的增加。

图47-3微管蛋白聚合和微管稳定药物的作用机制

      虽然在改变分类烷结合的β-小管蛋白中的突变已经被发现在细胞模型中具有抗性，但这种突变在各种人类癌症临床标本中都没有被发现。微管结合蛋白MAP-Tau与与类杉烷重叠的β-微管蛋白上的一个位点结合，并影响微管的动态不稳定性。其表达与乳腺癌标本中紫杉烷药物紫杉醇的耐药性有关。抗微管蛋白药物耐药的其他机制包括P-gp转运体（用于紫杉烷和文卡斯）、细胞纺锤体检查点控制通路、和调节程序性细胞死亡或细胞凋亡。

      环苯酮是一种新的抗微管蛋白细胞毒性药物，其在微管蛋白上的结合位点与类杉烷重叠。与紫丙烷相比，环苯酮不是P-gp的转运底物，因此对由于P-gp表达而耐多药的癌症具有潜在的抗肿瘤作用。然而，它们很可能具有一些抗紫杉烷的靶点相关机制，如影响微管动态和细胞凋亡调节的因素。

      拓扑异构酶I和II分别是露营菌素和上茶毒素药物的药物靶点，这些酶的突变或改变已被证明会导致对这些药物的细胞耐药性。由于药物诱导的DNA断裂与拓扑异构酶II酶的数量成正比，酶含量的降低与耐药性有关，较高酶含量与药物敏感性有关。

     靶点的改变是酪氨酸等新型靶向药物耐药性的一个重要机制激酶抑制剂（图47-4）。药物伊马替尼是融合癌蛋白基因BCR/ABL的抑制剂，其靶激酶域的点突变是慢性髓系白血病(CMLs)获得性抵抗的主要机制。多种对伊马替尼耐药的突变。由于对伊马替尼的耐药性发生率约为每年药物治疗患者的3%，因此这种突变的发生相对较少见。达沙替尼是BCR/ABL激酶的有效抑制剂，已被证明几乎抑制所有这些突变激酶，并在伊马替尼耐药性CML中产生缓解。一种BCR/ABL突变体T351I仍然对伊马替尼和达沙替尼都有耐药性，尽管正在开发其他治疗这种双耐药突变的新药。BCR/ABL基因扩增也可导致对CML中激酶抑制剂的耐药性。

图47-4程序性细胞死亡或细胞凋亡的细胞途径。

八、细胞内药物的再分配

      在主金库蛋白(MVP)高表达的细胞模型中，已经观察到蒽环类药物的细胞内药物封存，也被称为LRP。拱顶是桶状细胞质细胞器，分子质量为13MDa，被认为在细胞内运输中发挥作用。除了在一些耐药性细胞模型中MVP的高表达外，该蛋白在急性髓样白血病中表达不同，并可能是该疾病临床耐药性的一个因素。

九:药物或中间药物的解毒

      药物的代谢失活是一种对许多药物的耐药性机制。因此，胞苷脱氨酶活性可导致对胞苷的耐药性。二氢嘧啶的二氢嘧啶脱氢酶分解代谢是该药物活性的决定因素。

      与DNA结合的糖肽药物布莱霉素被一种被称为布莱霉素水解酶的氨基肽酶灭活。大多数癌症对布莱霉素有抗药性，并具有高水平的这种酶，而敏感性肿瘤（生殖细胞癌、淋巴瘤、鳞状癌）的水平较低。同样，大多数正常组织具有高水平的布莱霉素水解酶，但两大毒性部位肺和皮肤表达较低水平。

      药物中，通过亲核含硫化合物解毒是一种重要的耐药途径。谷胱甘肽还原酶是一种重要的解毒酶，可以通过与谷胱甘肽共轭而产生对这类药物的耐药性。此外，如前所述，转运体的MRP家族的一些成员可以释放细胞毒性药物的谷胱甘肽共轭物，从而代谢解毒与毒素的外输有关。

十、增强的DNA修复

      DNA修复途径是对烷基化剂和铂药物反应的重要决定因素。核苷酸切除修复(NER)是一个复杂的、高度调节的过程，涉及30多个蛋白质。此外，还涉及两种一般途径：全球基因组NER，修复转录沉默区域的损伤，和转录耦合NER，修复主动转录DNA链的损伤。NER中的步骤包括识别受损的DNA、DNA展开、切口、降解、聚合和结扎。许多DNA修复基因在对DNA损伤药物和电离辐射的反应中所起作用的证据部分来自对基因缺陷如共济失调毛细血管扩张、色素性干皮病和布鲁姆综合征的研究，在这些研究中已经观察到对DNA损伤药物的过敏。

      已经专注于ERCC1。DNA切除修复基因ERCC1的高表达，参与烷基化剂和铂药物的修复，已被证明与顺铂化疗治疗的晚期非小细胞肺癌患者的不良结果相关。在肺癌早期，肿瘤不表达ERCC1的患者从顺铂辅助化疗中显著获益，而肿瘤表达ERCC1的患者没有从化疗中获益。矛盾的是，在缺乏辅助化疗的情况下，ERCC1的高表达是肺癌早期患者生存的良好预后因素。

      154-甲基鸟苷-O6-甲基转移酶(MGMT)在对硝基卡霉丁和DNA甲基化剂替莫唑胺的抗性中尤为重要。MGMT已被确定为脑肿瘤临床结果的关键因素，而消耗MGMT的药物正在被开发中，作为调节耐药性的潜在治疗方法。

十一：药物活性的降低：

        大多数抗代谢物药物通常需要代谢激活，以通过激酶和磷酸核糖基转移酶产生其活性核苷或核苷酸部分。因此，对于阿糖胞苷来说，细胞内产生ara-dCTP水平是抗肿瘤疗效的一个重要决定因素。在5-氟尿嘧啶的情况下，对该药物的激活需要形成5-氟脱氧尿苷一磷酸(FdUMP)。此外，5-氟尿嘧啶对胸苷合酶的最佳抑制部分取决于辅因子5,10-亚甲基四氢叶酸的细胞内水平。氧氮磷酸淀粉（环磷酰胺和异环磷酰胺）是在肝组织中主要由混合功能氧化酶(CYP酶)激活的前药物。虽然对这些药物的主要抵抗机制被认为是硫醇化合物使烷基化代谢物失活，以及DNA修复机制，癌症中混合功能可变水平的功能氧化酶活性也可能是其活性的决定因素。

十二、程序性细胞死亡（细胞凋亡）的改变途径

      调节程序性细胞死亡或细胞凋亡的途径在肿瘤发生中和作为对癌症治疗反应的决定因素中都很重要（图47-5）。在许多b细胞淋巴瘤中，BCL2是致癌的，其表达被染色体易位和其他机制上调。它还能保护细胞免受辐射、糖皮质激素和化疗后的细胞凋亡。BCLX基因具有长形式和短形式，编码bcl-xl和bcl-xs蛋白，分别能抑制和促进细胞凋亡。细胞死亡调节因子的BCL-2和细胞凋亡抑制剂(IAP或BIRC)家族目前都正在被探索，作为使耐药癌细胞对化疗敏感的靶点。

      肿瘤发生与药物敏感性或耐药性之间的关系也是p53途径，它在大多数人类癌症中是突变的。正常的p53功能对线粒体介导的凋亡途径的有效功能至关重要，特别是在对DNA破坏剂的反应方面，包括电离辐射和许多化疗药物，如烷基化剂、铂、蒽环类和拓扑异构酶抑制剂。

图47-5融合癌蛋白BCR/ABL的结构，描述了导致慢性骨髓类白血病中伊马替尼耐药性的点突变。

十三、基于预测性多基因标记的治疗个性化研究

        关于耐药性机制、药物的分子靶点和与治疗相关的信号通路的知识，使药物疗效的更精确的预测分子检测成为可能。在历史上，这种方法是在治疗乳腺癌中率先使用激素受体测量来指导激素治疗的并检测HER2基因的过表达或扩增，以确定乳腺癌患者是否正在进行曲妥珠单抗治疗。通过微阵列分析确定全基因组表达的能力已经导致了与排放相关的候选基因剖谱的识别到药物或药物组合。这种方法可能导致使用基因组或蛋白组面板的预测标记的治疗日益个体化，但在临床试验中很难对这些标记进行前瞻性验证。

参考文献：《The Molecular Basis Of Cancer》