抗癌药物研究变数陡增精准医疗也许才是救世主

　　有句玩笑话说，想攻克癌症的研究者，哪个没杀过天文数字级别的癌细胞。这些以别样方式“活”在实验室里的癌细胞们，作为科研的第一手材料，为癌症生物学和转化医学的发展做出了巨大的贡献。

　　科学家们早就认识到，癌细胞系是不能够完全模拟人体内的肿瘤的，不过它仍然具有一定程度的代表性和稳定性，足以提供对癌症发展和药物反应的准确反馈。事实上，走向临床的各种药物、疗法，第一次闪光都是踩在癌细胞系的尸体上。

　　可是实验室内的癌细胞系并不如科学家们所想的那样稳定，它们也在时刻“进化”之中，甚至对药物的反应会产生大幅度的变化！

　　本周的《自然》杂志刊登了来自Broad研究所的最新科研成果。研究者们对比了来自两个数据库的106个癌细胞系的外显子测序数据，发现同一细胞系之间竟然五分之一的基因序列差异！进一步分析了单一乳腺癌细胞系的27个细胞株，研究者发现同样存在高水平的遗传多样性，测试的321种抗癌化合物中，有75%虽然能对特定细胞株产生抗癌活性，但是在其他细胞株中完全没用！

　　这或许也可以解释为什么有些实验，明明是用了同一癌细胞系，却会得出不同的结果。科学家们必须得小心了，这意味着培养皿里的细胞们，说不定根本不能代表正在研究的癌种！

通讯作者之一，Todd Golub，大牛通讯作者之一，Todd Golub，大牛

通讯作者之二，Raemeen Beroukhim通讯作者之二，Raemeen Beroukhim

　　从理论上来说，实验室里的细胞传代没有环境施加的选择压力，遗传上相对来说是稳定的，那么按照这个道理来说，利用癌细胞系进行的实验结果是可以重复的。但是实际上却截然相反，特别是倍受关注的药物研究，对药物的敏感性和耐药性经常会得出不一致的结果[3]。

　　这不由得让人猜想，难道这些癌细胞根本不如我们认为的那么稳定？

　　研究者们从Broad研究所的癌症细胞系百科全书（CCLE）和Sanger研究所的癌症药物敏感性基因组学（GDSC）数据库中，提取了106个细胞系的外显子测序数据。讲道理，都是同一个细胞系，具有同样的遗传背景，提取到的数据不说一模一样吧，也应该差不了多少。

　　结果让研究者大失所望，两组数据的基因突变一致性比预想的低很多，约19%的错义突变仅出现在两组其一，在拷贝数变化上这个数字则达到了26%。

　　研究者对单个细胞系进行了研究。他们选中了癌症研究中常用的雌激素受体阳性乳腺癌细胞系MCF7，涉及27个不同的细胞株，其中19个未经过任何药物影响或者基因工程改造，7个细胞株含有报告基因，还有1个已经被移植入小鼠体内，并接受了抗雌激素治疗。

　　在这27个细胞株中，研究者发现数百种基因的拷贝数发生了变化，283种基因拷贝数增加，405种减少；其中，只有13%增加拷贝的基因和21%减少拷贝的基因是所有细胞株都存在的；而只有一个细胞株具有，独一份儿的拷贝数变异基因则分别是7%和13%。

　　这些受影响的基因包括PTEN、TP53、EGFR、PIK3CA、MAP2K4等乳腺癌常见的突变基因，就拿PTEN来说吧，有17个细胞株都出现了PTEN缺失突变。还有表达雌激素受体的基因ESR1，12个细胞株拷贝增加，6个细胞株拷贝丢失——这与雌激素受体表达水平是息息相关的，而MCF7可是一个以雌激素受体阳性为特征的癌细胞系！

　　其他的突变类型数据也是类似的，95个单点突变中，只有35%存在于所有细胞株中，29%只存在于某个细胞株中。

各个细胞株具有的拷贝数变异各个细胞株具有的拷贝数变异

　　与突变情况一致，27个细胞株之间基因表达水平也有很大的差距。将细胞株两两对比，最惨的情况下有1574个基因表达水平差异达到了2倍以上（中位654个）。

　　研究者还在常见的肺癌细胞系A549的23个细胞株，以及其他11个癌细胞系中进行了验证，从单点突变到结构变异，都存在高水平的差异。

各个细胞株中的单点突变各个细胞株中的单点突变

　　基因层面发生了如此大的变化，细胞功能也受到了影响，不同细胞株之间传代时间、细胞的大小和形状都十分不同，对药物的反应也相距甚远。

同个细胞系的不同细胞株形态竟然能差这么多同个细胞系的不同细胞株形态竟然能差这么多

　　研究者们在27个MCF7细胞株中测试了321种具有抗癌活性的化合物，有55种化合物在至少一个细胞株中表现出强抗癌活性，对癌细胞生长的抑制>50%，然而其中的48种（87%）却在至少一个细胞株中基本没用！

　　把标准再拉得严格一点，同时在至少两个细胞株中都有强抗癌活性的化合物有42种，但是33种（79%）在两个以上的细胞株中不起效果……

　　另外要说的是，这种变化可不是仅仅癌细胞有，正常的细胞系也是存在的，而且突变水平并不比癌细胞差。

细胞株对药物的反应细胞株对药物的反应

　　那么这些突变是打哪儿来的呢？

　　研究者在不同条件下培养细胞系，发现仅仅是不同的培养基条件就足以影响细胞的基因形态。与物种的进化一样，培养环境也能够对细胞株进行“自然选择”，使某些细胞更有生存优势，走在“进化”的前列；此外，就算是从细胞系中分离单个癌细胞进行培养，子代细胞也能够获得新的突变。

　　本研究与该团队的另一项研究可以说是一脉相承的。去年，他们发表在《自然遗传学》的论文显示[4]，随着时间推移，移植到小鼠体内的人类癌细胞逐渐失去了患者的疾病特征，并且获得了一些新的表型，与对药物的敏感性变化有关。

　　这对科学家们来说并不是个好消息，但也并不是个那么坏的消息。癌细胞系依旧是实验室不可或缺的研究工具，只是研究者们可能需要更加密切地关注高度变异导致的功能变化。

　　而挑战换个角度看就会变成机遇。利用癌细胞的自我“进化”，科学家们可以在同样遗传背景的两个细胞株上测试同种化合物，并利用细胞特征来解析作用机制，以及研究各种进化压力与癌症发展的关系。

　　通讯作者Todd Golub表示，“这并不意味着癌细胞系和基于培养基的生物模型都不够好，反之，我们应当了解模型的特点和局限性，在了解未知的基础上继续探索，而绝不是弃之不用。”

　　为此，研究者们也开发了一款在线工具Cell STRAINER，可以提供细胞株与CCLE中细胞系样本遗传数据的对比。

　　这不禁让奇点糕想到了以基因数据为基础的“精准医疗”，看来是时候搞搞“精准科研”了。