乳腺癌的耐药机制复杂，与多重信号通路网络以及DNA损伤反应的激活密切相关。近期，Cancer Research（IF=13.312）期刊在线发表综述文章，探索了乳腺癌的动态代谢环境如何调节其DNA损伤修复能力，最终促进治疗耐药性的发展。
肿瘤代谢可以通过一种复杂的机制过度激活不同的DNA损伤通路，最终增强细胞增殖和生存，从而促进对治疗的耐药性。而除了基因突变外，表观遗传变化在调节代谢重构和DNA修复中起着关键作用。本文指出，乳腺癌表观遗传学-代谢-DNA损伤修复轴为理解耐药机制提供了新的思路，提示发掘潜在靶点，有望通过调节表观遗传规避治疗耐药，提升抗肿瘤治疗的效果。
乳腺癌分型、常规治疗和耐药情况
Luminal型
Luminal型乳腺癌通常为雌激素受体(ER)和/或孕激素受体(PR)阳性，可根据ER、PR和人表皮生长因子受体2（HER2）受体状态和Ki67水平进一步细分；主要采用选择性雌激素受体调节剂(SERM)、选择性雌激素受体降解剂 (SERD)和芳香化酶抑制剂治疗。
图1 ER阳性乳腺癌细胞
尽管Luminal型患者对激素治疗有显著的敏感性，但仍有30% ~ 50%的病例在确诊的20年后复发。约20% ~ 30%的患者会对SERM他莫昔芬产生耐药性；糖酵解过程被认为参与他莫西芬耐药的主要机制，涉及关键酶PFKFB3被雌激素信号通路转录激活、主要限速酶HKII 被ER反应基因HIF1α激活等。
HER2阳性乳腺癌
HER2过表达存在于约15% ~ 20%的乳腺癌患者中，与侵袭性发展和预后不佳密切相关。HER2阳性乳腺癌通常采用的治疗策略包括靶向HER2的单抗、酪氨酸激酶抑制剂(TKI)以及抗体偶联药物(ADC)。
图2 HER2阳性乳腺癌细胞
HER2阳性乳腺癌治疗后复发率较高。以曲妥珠单抗为例，早期HER2阳性乳腺癌治疗后的复发率约为26%，晚期转移性患者的一年内复发率约为70%。曲妥珠单抗通过内化和降解HER2受体发挥作用，进而抑制下游PI3K-AKT-mTOR通路；近30%的HER2阳性肿瘤存在该通路突变，约20%~23%的患者存在PI3KCA激活突变，进而介导曲妥珠单抗耐药。
Basal型或三阴性乳腺癌（TNBC）
约15%的浸润性乳腺癌为Basal型，局部和远处复发的发生率较高；TNBC是其中最主要的亚组，约占80%~90%，具有高度侵袭性，临床预后较差。由于缺乏ER、PR和HER2，TNBC的治疗选择非常受限。基于蒽环类、紫杉烷和环磷酰胺的标准新辅助化疗(NACT)方案被用于大多数TNBC，辅助化疗也被用于NACT后有残余疾病的患者。然而，TNBC容易对常规化疗耐药，通常在诊断后3年左右达到复发高峰，伴有远处转移。
图3 TNBC细胞
TNBC细胞中，包括PI3K-AKT-mTOR、EGFR、Wnt在内的多种级联信号异常激活促进了它们的侵袭性和耐药性。约70%~78%的TNBC存在EGFR过表达；而Wnt信号下游靶点MYC和MCL1可协同促进线粒体生物发生、增强氧化磷酸化，从而最终导致TNBC对紫杉醇耐药。糖酵解在TNBC中也尤其明显，从代谢层面促进细胞增殖和化疗耐药。此外，TNBC通常存在耐药相关的遗传异常，包括BRCA1/2突变和p53功能异常，有望受益于DNA损伤修复(DDR)抑制剂相关疗法。
乳腺癌耐药机制：代谢与DNA损伤修复的交互影响
微环境代谢产物串扰造成免疫逃逸与治疗耐药
肿瘤微环境由肿瘤细胞、基质细胞、免疫细胞和各类纤维及蛋白组成，不同微环境中的肿瘤细胞之间存在代谢串扰。诸如乳酸等代谢产物会穿梭于微环境之间，对肿瘤细胞的生物功能造成影响。
乳腺癌细胞消耗葡萄糖并分泌乳酸来维持邻近的癌症相关成纤维细胞（CAF），进而释放外泌体来帮助癌细胞应对微环境中营养缺乏的情况；CAF可向癌细胞提供谷胱甘肽(GSH)和半胱氨酸，以平衡其氧化还原稳态，规避化疗的杀伤。与此同时，肿瘤核心缺氧区的乳酸增加会抑制单核细胞和树突分化，并阻止T细胞的激活；高水平乳酸激活VEGF和精氨酸酶通路，促进M2巨噬细胞以及IL10等免疫抑制细胞因子的产生。
DNA损伤修复机制的改变促进乳腺癌耐药
抗肿瘤治疗疗效的关键决定因素之一是肿瘤细胞DNA损伤的程度；而癌细胞能够通过调整DNA修复途径，促进其对基因毒性治疗的固有和获得性耐药。
DNA修复途径的改变会导致基因组不稳定性升高，突变率增加，肿瘤内异质性增加。大多数传统的抗肿瘤方案通过增加双链断裂(DSB)来抑制肿瘤发展，因此，通过非同源末端连接(NHEJ)修复和同源定向修复(HDR)两种途径在癌细胞对抗治疗的恢复能力中起着重要作用，有望提供新的治疗靶点。
代谢重塑与氧化应激影响DNA损伤修复，继而诱发耐药
既往研究揭示了乳腺癌代谢格局的改变和DNA损伤修复之间的复杂联系，确证了二者对治疗耐药性的协同影响。葡萄糖摄入增加以及Warburg效应是大多数实体瘤的基本特征，肿瘤代谢从OXPHOS向厌氧糖酵解的转变。在此过程中，代谢和DNA损伤的关键联系就是氧化还原的平衡。
1921年，德国科学家 Otto Warburg 观察到肿瘤细胞产生能量的方式极为特别：健康细胞依靠线粒体氧化糖类分子释放出大量能量, 而大多数癌细胞则通过产能率相对较低的糖酵解作用为自身供能。即使在氧气充足的条件下，癌细胞糖酵解一样活跃。这种癌细胞在有氧状态下的糖酵解方式也被称为“Warburg效应”。后来，莫菲特癌症研究中心科研人员发现，恶劣的肿瘤代谢微环境会促使细胞出现Warburg效应。
活性氧(ROS)是DNA损伤的主要诱导物之一，由几种代谢反应产生，电子传递链是其主要来源。ROS-DNA相互作用可导致氧化性DNA损伤，这需要有效的DNA碱基修复。由于损伤负担增加，不完全DNA修复催生的促突变修复中间产物也大量增加，比如单链DNA和碱基位点。这些促突变位点的积累会导致氧化诱发的聚集性DNA损伤。
图4 代谢-DNA损伤修复介导乳腺癌细胞耐药
乳腺癌放疗后常会检出氧化诱发的聚集性DNA损伤，这对基因组完整性构成严重威胁，继而导致肿瘤耐受放疗。长时间暴露于化疗也会改变肿瘤细胞的整体ROS水平，促进HIF-1α、VEGF以及巨噬细胞迁移抑制因子(MIF)等表达，进而通过RAS/MAPK途径上调抗凋亡蛋白，导致获得性耐药。另一方面，癌症干细胞(CSC)本身ROS水平较低、自由基清除系统增强，都使其对大多数常规治疗具有耐药性。
基于代谢及DNA损伤修复机制开发潜在疗法
调节肿瘤代谢途径，平衡ROS水平
由于ROS在产生耐药性方面的关键作用，调节ROS相关代谢途径可能是破坏癌细胞耐药表型的潜在策略。谷胱甘肽过氧化物酶可清除ROS，同时将谷胱甘肽（GSH）转化为氧化型谷胱甘肽（GSSG）。GSH由谷氨酸和半胱氨酸产生；研究表明，在含有胱氨酸的培养基中培养癌细胞会导致ROS水平的改变，强化癌细胞对谷氨酰胺酶抑制的敏感程度。
核因子E2相关因子2 (NRF2)也是ROS水平的重要调节因子。DNA修复蛋白BRCA1调节NRF2，从而将ROS水平和DNA修复途径联系起来。靶向BRCA1和NRF2是增强DNA修复、逆转ROS介导的癌细胞耐药的潜在方法；例如NRF2抑制剂ML385，可使耐药癌细胞对化疗药物再度敏感。
肿瘤细胞核苷酸库和DNA修复潜能
核苷酸库的调节是调控DNA损伤修复的核心途径。DNA损伤位点可招募RRM1、RRM2（核糖核苷酸还原酶家族成员1和2）等因子，快速募集脱氧核糖核苷三磷酸（dNTP），以成功修复DNA。而dNTP池的改变则通过诱导应激性复制和减少DNA修复来促进基因组的不稳定性，参与肿瘤对基因毒性药物的耐药产生。
乳腺癌细胞的DNA损伤可以促进磷酸戊糖途径(PPP)重构，通过向细胞提供NADPH和核糖-5-磷酸，促进肿瘤细胞增殖和存活。葡萄糖6-磷酸脱氢酶(G6PDH)是PPP途径的限速酶；在顺铂耐药的癌细胞中，抑制G6PDH可使其对顺铂重新敏感。此外，谷氨酰胺合成酶(GS)能够将谷氨酸转化为谷氨酰胺，并被细胞用于核苷酸的生物合成，维持DNA损伤修复。GS在放疗耐药的癌细胞中过表达，因此抑制GS也是对抗乳腺癌耐药的一种潜在方法。
cGAS-STING通路与DNA损伤应答
STING通路可通过产生cGAMP促进固有免疫，该通路在DNA损伤时激活，并诱导1型干扰素(IFN)的表达，从而抑制癌症进展。ER阳性乳腺中，STING的高表达是良好预后和免疫反应增加的独立预测因子，低表达则与免疫抑制和致癌mTOR信号激活相关。
转移性肿瘤经常阻断cGAS-STING通路，干扰治疗效果。癌细胞的染色体不稳定可能导致细胞破裂，通过微核将基因组内容物暴露到细胞质中，导致cGAS-STING的慢性激活与炎症反应，造成微环境免疫抑制与免疫逃逸，并通过IL6-STAT3机制促进肿瘤发生发展。
另一方面，不同的乳腺癌STING表达水平不同，这决定了患者对化疗的反应。STING激动剂与经典疗法结合使用可增加抗肿瘤免疫，针对STING通路的几种激动剂目前正处于临床阶段，并已展现出初步疗效。晚期患者的STING活化则被认为与耐药相关，抑制该轴可与传统化疗联合使用，以实现有效的抗癌作用。
参与DNA损伤修复-代谢轴的表观遗传调节
甲基化、乙酰化等表观遗传调控在DNA损伤修复途径中起着不可或缺的作用。例如，ATP-柠檬酸裂解酶(ACLY)定位于DNA损伤位点，并提供乙酰辅酶A以促进组蛋白乙酰化；ACLY在几种癌症中过表达，其活性在放疗过程中有所增加。ACYL可介导PI3K-AKT通路的激活，通过下游机制诱导癌症中的双链断裂修复，从而促进耐药。
由突变的异柠檬酸脱氢酶1 (IDH1)催化合成的2-羟戊二酸(2-HG)可抑制赖氨酸特异性去甲基酶，导致在DNA损伤位点附近的甲基化失效，继而抑制DNA修复。而IDH1在癌症中经常发生突变，被认为在癌症的发生发展中起到关键作用。调控此类表观遗传学途径，有望改变癌细胞代谢格局与DNA损伤修复水平，进而达到逆转耐药、强化疗效的目的。
总结
总而言之，乳腺癌细胞的代谢环境是治疗耐药和肿瘤复发的关键决定因素，这其中牵涉到复杂的信号网络与DNA损伤修复机制。通过调节代谢或DNA损伤修复途径中的关键因子，或干预表观遗传修饰，有望改善乳腺癌患者的耐药情况，减少复发。目前，已有多种相关药物进入临床研究阶段，有望为耐药复发的乳腺癌患者提供更具针对性的治疗选择。此外，乳腺癌领域的代谢-DNA修复轴或可外推到其他癌症，促进新的治疗策略产生，对抗代谢介导的DNA修复能力的改变，从而对抗癌细胞的耐药性。
Das C, Adhikari S, Bhattacharya A, et al. Epigenetic-Metabolic Interplay in the DNA Damage Response and Therapeutic Resistance of Breast Cancer [published online ahead of print, 2023 Jan 18]. Cancer Res. 2023;CAN-22-3015. doi:10.1158/0008-5472.CAN-22-3015
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