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摘要

新一代测序技术表明，不同的恶性细胞亚群具有不同的生物学行为共存于同一肿瘤中。这个概念也延伸到转移瘤以及原发和转移瘤之间的区别。癌症的异质性对治疗有着深远的影响。尽管有这方面的知识，但在临床领域还没有引入处理这一问题的基本步骤。这篇综述的目的是分析可能的措施，以规避由肿瘤异质性所代表的治疗问题。

介绍

关于癌症的常见误解是，它是一种单一的疾病，一个单一的基因突变是肿瘤的驱动因素，肿瘤的所有部分都是相同的。一开始可能是这样，但如前所述，单个突变只是失控的一连串基因变化的开始。正如Hanahan和Weinberg[1]所描述的那样，癌症不是一种疾病，而是一组具有共同特征的疾病。我们可以更进一步，说一个病人的一个肿瘤是同一病人的不止一个疾病。所以这是一种多种疾病。在这个过程中，达尔文关于基因突变和表观遗传变化的进化为最健康的克隆的存活提供了解释，在某种程度上，它们会对几乎所有已知的治疗方案产生抗药性。

癌症可能(通常也确实)起源于单克隆疾病。但随着它的推进，多克隆进化就建立起来了。

因此，两名患有同一类型癌症(比方说舌鳞癌)的患者可能表现出不同的基因突变和不同的表观遗传变化。此外，肿瘤的不同部位可能表现出不同的环境和表型。

但还有另一个因素使情况变得更糟:患有癌症的病人可能在同一肿瘤中显示出许多不同的恶性细胞，它们具有不同的基因突变:这是遗传异质性，使每种癌症都是独特的。肿瘤的不同部位可能有不同的环境条件。这使得它更加独特。

郝JJ等．[2]发现13例食管鳞状细胞癌中，平均有35.8%的异质性体细胞突变，有很强的瘤内异质性证据。

但这个概念并不新鲜。早在1976年，Novell[3]就已经引起了我们对这个问题的关注。这种认为癌症是“由循序渐进的亚克隆选择的体细胞突变驱动的进化过程”[4]的观点是对癌症生物学理解的改变。

我们可以看到，肿瘤异质性的认识和问题并不是一个新问题。

Gombertzian肿瘤生长模型许多肿瘤在初始阶段表现为[5]，在晚期变得完全异质性，这部分是肿瘤异质性的结果。但根据我们的假设，Gombertzian生长从一开始就缺乏也是肿瘤异质性的结果。

Kuukasjarvi Tet al。[6]研究乳腺癌及其非同步转移的基因型比较。在研究的31例病例中，20例转移瘤(69%)与相应的原发肿瘤表现出高度的克隆关系，而9例转移瘤(31%)的遗传成分几乎完全不同于配对的原发肿瘤。然而，在这两组中，X染色体失活模式表明转移性病变与原发肿瘤起源于同一克隆。他们的结论是，早期干细胞克隆显然是在原发肿瘤和转移瘤中独立进化的，最终导致在给定患者的不同肿瘤部位产生多个基因几乎完全不同的克隆。

对于这个概念，我们必须补充的是，不仅转移性细胞可能与原发肿瘤不同，我们还可能在同一肿瘤中发现不同的遗传类型(每种癌症的个体独特性)。

在De Mattos-Arruda的案例报告中et al。[7] 1例伴有骨和肝转移的乳腺癌患者在肝转移中发现16个体细胞非同义突变，其中9个在原发肿瘤标本中检测到。并不是所有在转移中发现的突变都可靠地在原发肿瘤中被发现。

第一个结论是，肿瘤之间和肿瘤内部存在广泛的遗传多样性。

这就是为什么传统的化疗，甚至是个性化的定向治疗经常以失败告终的根本原因。

通常的化疗是对有丝分裂系统的大规模攻击，具有摧毁恶性和正常细胞的能力。由于对正常细胞的毒性，这一事实限制了其潜力。这意味着它缺乏100%摧毁恶性细胞的能力，导致在肿瘤进展的某个阶段产生耐药性，从而允许突变的耐药细胞的发展。Greaves和Maley[4]这样描述这个过程:治疗干预可能会摧毁癌症克隆体，并侵蚀它们的栖息地，但无意中为耐药变异体的扩展提供了强有力的选择压力。癌症固有的达尔文特征是治疗失败的核心，但也可能是更有效控制的关键。”

另一方面，靶向治疗攻击恶性细胞的特异性特征，但我们在这里发现的问题是，由于遗传异质性，并不是所有恶性细胞都有特定的靶标(驱动突变)。没有目标的细胞会存活下来并继续进化。

定义一个术语:肿瘤进化是很重要的。这是一个遗传变化和选择适者生存的过程。这意味着那些含有有利于生存的基因变化的细胞将产生新的克隆体，以抵抗严酷的环境和肿瘤学家的放化疗意图。对恶性肿瘤的达尔文选择有能力在数周或数月的时间内产生这些“进化”的新克隆，而在自然界中，类似的进化可能需要数年甚至数个世纪。

是什么导致了这种加速的进化?

基因组不稳定性。

产生主要基因组不稳定性的突变对于解释在癌症中看到的多重突变的积累和它们发生的短时间[8]是必要的。这些增加遗传变异固有率的突变称为突变体突变;含有突变体的细胞被称为突变体克隆，而癌细胞被认为表现出突变体表型[9]。

我们不打算详细讨论需要多少突变才能形成恶性表型，因为根据所有已发表的医学文献，我们需要区分导致恶性细胞形成的两种不同途径:

• 肿瘤发生是一个多步骤的过程(通常是2到8个突变)，在这个过程中，正常细胞经过一系列的恶性前表型，直到侵袭性癌症出现。例如，结肠腺瘤发展为原位癌，最后发展为大肠癌。
• 染色体的一部分及其基因被转置到另一条染色体上的一步过程。例如染色体费城在慢性髓系白血病。

在第一类中，我们包括了Knudson在视网膜母细胞瘤的两个打击过程的开创性发现。

因此，撞击或突变的数量可能会根据我们所处理的癌症类型而有所不同，但毫无疑问，遗传或染色体不稳定性是导致癌症中多克隆异质性的载体。

因此，异质性是我们无法消除肿瘤或患者体内所有恶性细胞的主要原因。残留的恶性细胞通过突变而逃脱了我们的治疗，这是复发的原动力。我们已经提到原发肿瘤和转移瘤之间的遗传差异。

我们目前所采用的治疗晚期癌症的方法，在很多情况下效果不佳，即使不是完全失败。

丁et al。[10]明显显示肿瘤异质性对治疗和复发结果的影响。在对急性髓系白血病患者的研究中，他们观察到两种类型的克隆进化模式。在第一个实验中，原克隆获得突变并向复发克隆发展。在这种情况下，化疗未能根除所有的创始细胞，只留下一些存活的细胞，它们进化出新的突变并导致复发。在第二种类型的克隆进化中，化疗幸存的原肿瘤亚克隆发生了新的突变，导致复发。本研究表明，复发与新的突变和进化有关，化疗并不能根除所有的恶性细胞。

解决肿瘤异质性

我们无法改变基因和行为的异质性。它几乎总是存在，当我们面对晚期癌症时，到目前为止，还没有已知的方法来消除它。因此，出于必要，我们必须对此采取行动。

我们的警告指出，我们必须找到一种方法来规避异质性，或者至少找到一种辅助方法来消除存活的细胞。

几乎所有处于进化晚期的恶性细胞都有三个共同特征:

• 能源需求增加
• 一种特别恶劣的环境，其特征是缺乏营养、缺氧和细胞外酸性。
• 迁移、入侵和转移的倾向。

如果我们在采用经典治疗方法(手术、放化疗、靶向治疗、免疫调节等)的同时，对上述三个元素进行攻击，那么我们的治疗效果很有可能会得到改善。

传统化疗的作用是有限度的，这个限度是由对正常细胞的毒性和耐药性的发展决定的，所以在最好的情况下，存活的恶性细胞的数量是很少的。但是他们存在。这种情况下的异质性可能表明克隆对所使用的药物具有耐药性。换句话说，在某些情况下，我们对化疗的实际作用是杀死非耐药细胞，并允许耐药克隆的发展。所以我们负责选择更适合的恶性细胞。靶向治疗也有一个局限性，即肿瘤异质性，因为可能存在不具有靶点的恶性克隆。

独立于异质性，所有快速生长的肿瘤都需要比正常组织更多的能量。所有实体肿瘤都生活在并适应一个以缺氧、缺乏营养和细胞外酸性为特征的困难环境中。而且大多数肿瘤都有转移的倾向。

我们这里提出的是,除了常规治疗,针对协同所有这三个特点,恶性组织更好的治疗将是一个优势,也会绕过我们考虑治疗失败的主要原因之一:异质性。

让我们仔细看看这些概念。

上述对大多数晚期恶性肿瘤常见的三个特征是综合和相互依赖的问题，因为大多数肿瘤的特征是酸性和缺氧区域。恶性细胞通常表现为代谢模式的改变，其特征是葡萄糖摄取增加和糖酵解升高。与有氧代谢相比，这种低效的能量生产，迫使肿瘤细胞上调糖酵解途径，增加H+离子的生产和释放。它导致局部微环境酸化，促进正常细胞的凋亡，而癌细胞可以存活、增殖并增加迁移。因此，癌细胞比正常细胞具有进化上的优势，这一优势有助于入侵(图1)。

图1所示。增加的能量需求，增加的细胞外酸度和增加的迁移之间的关系。

所有肿瘤都表现出高能量消耗，无论它们是否有1个、10个或100个突变。所以能量需求是独立于恶性细胞的突变和肿瘤的遗传不稳定性的。另一方面，能量需求确实取决于细胞的生物合成速率。这意味着那些新陈代谢率高的细胞，就像大多数恶性细胞一样，需要更多的能量供应。在某个肿瘤中，细胞获取能量的方式可能会有所不同。这意味着在同一肿瘤中可能使用多种优先代谢途径，但它们都符合高能量需求。一些细胞利用葡萄糖并将其降解为乳酸(有氧糖酵解)，其他细胞利用葡萄糖降解为水和二氧化碳(氧化磷酸化体)，其他细胞可能通过将乳酸引入三羧酸途径(氧化磷酸化体)来作为能量来源。最后还有从谷氨酰胺(谷氨酰胺能细胞)获得能量的恶性细胞。

当ATP产量减少到临界水平(正常水平的1/3)时，恶性细胞停止生长。这可以通过二甲双胍等线粒体毒素来实现，强力霉素，甲双胍辅以溴吡戊酸和2脱氧葡萄糖。

异质性会成为这些治疗的问题吗?基本上不会，因为不管细胞是遵循瓦伯格效应还是氧化磷酸化途径，高能量需求是一种普遍需求，不应该被癌症中发现的常见突变所改变。主要使用谷氨酰胺途径的细胞可能存在差异。这些细胞会逃避我们的能量限制疗法，但谷氨酰胺能通路也会被阻断。

因此，能量限制可能部分地规避了允许抗性克隆存活的异质性问题。

一个非常简单的实验将显示能量限制在恶性细胞生命中的重要性:那些减少热量摄入30 - 40%的病人癌症生长减缓。

1909年，莫雷斯基发现，移植到营养不良的小鼠体内的肿瘤，其生长速度不如移植到自由进食小鼠体内的肿瘤。不久之后，人们发现热量限制也会对自发肿瘤的生长产生负面影响。在20世纪40年代，坦南鲍姆和鲍曼证明，这种效应是由于饮食中的卡路里含量独立于卡路里来源。

能量限制可以增强DNA的修复并减缓DNA的氧化损伤。能量限制也降低了癌基因[11]的表达。

根据薛和米歇尔斯的研究，更近期的发现表明了一种激效假说，即热量限制对生物体产生了一种低强度的生物压力，这可能引发一种增强维护和修复[12]的适应性反应。

我们有自己简单的想法:卡路里限制会减少细胞生长所需的可用能量。

Pearson等人[13]发现了从热量限制到抗癌活性的一种可能途径:Nrf2。

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此外，某些化合物如萝卜硫素和白藜芦醇可以模拟在热量限制下发现的翻译修饰[13-14]。

含有高水平萝卜硫素的食物，如花椰菜、抱子甘蓝或卷心菜，可能产生与限制Nrf2的热量类似的效果。(欲进一步了解萝卜硫素，请参阅Thimmulappa等．[15])

使用二甲双胍或其他线粒体毒素加上热量限制(减少15%的热量摄入就足够了)和2-脱氧葡萄糖将是一种无毒的辅助治疗，可以减少对传统治疗有抵抗力的细胞的存活。

细胞外酸性增加是癌细胞的特征。它主要是由于高乳酸生产和挤压的恶性细胞和缺氧环境由于不平衡的血管化。

局部环境的酸化对癌细胞的侵袭至关重要。虽然它促进了正常细胞的死亡，但癌细胞可以存活和增殖，因为它们能够通过几种膜基转运机制(例如，Na+/H+交换剂NHE1，单羧酸转运剂MCT1/MCT4，电压门控钠通道和V-ATPase泵)调节细胞内的pH水平。微环境的酸化增强了蛋白酶(如蛋白酶和金属蛋白酶)的活性，这允许必要的环境重塑，以进行迁移和入侵。

当实验降低微环境酸度时，迁移和转移会显著减少。

细胞外酸性是一种普遍存在于所有高度糖酵解性肿瘤的现象，与肿瘤异质性无关。可能肿瘤中代谢活性较低的部分酸性较低，但我们需要针对代谢活性较高的部分。因此，从这个意义上讲，肿瘤异质性是抗酸剂治疗的优势，因为这允许肿瘤更有侵袭性的区域受到攻击。

细胞外水平的酸度也是非常不均匀的，因此恶性肿瘤的不同部位显示不同的pH值，有时这些差异是非常重要的[17]。

增加肿瘤微环境的pH值是减少迁移的第一步。对于这种方法，使用改作用途的无毒药物可能会有所不同。我们指的是非常简单的药物如质子泵抑制剂如奥美拉唑或泮托拉唑加碳酸氢盐加乙酰唑胺。

然后，通过靶向蛋白酶如蛋白酶和金属蛋白酶，进一步减少迁移可能实现。有许多无毒的药物可以减少转移。唑来膦酸就是骨转移的一个例子。

结论

我们坚信，针对三个独立于异质性的问题(能量供应、pH梯度反转和转移级联)，重新应用药物作为常规治疗的补充治疗，将降低肿瘤异质性带来的耐药性，减少复发和转移。

参考文献

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