癌症反攻時，要如何回擊？科學家從達爾文的筆記本里尋找答案

▎葯明康德/報道

2014年初，勞拉·布雷爾利（Laura Brealey）在女兒家的大理石地板上摔了一跤。後續的檢查中，她意外發現自己患有肺癌。醫生快速為她進行手術，切掉了她的一部分右肺，並給她進行放療和化療。治療後，腫瘤細胞消失了，她看起來很有希望康復。但是第二年夏天，Brealey女士開始感到肋骨疼痛。癌症回來了。2016年4月，Brealey女士即將開始她的第三種藥物——一種叫做Opdivo的藥物，她的醫生是年輕的腫瘤學家Charlie Swanton博士。

Brealey女士的故事是癌症患者常見的抗癌經歷。最初的治療方式似乎擊退了腫瘤，但是手術刀，放射線和藥物輪番上場之後，腫瘤依舊複發，而且似乎比以前更具彈性。腫瘤細胞是個頑固的敵人。即使是針對腫瘤背後特定遺傳缺陷的最新藥物，也不能永久抵抗腫瘤的反攻。

我們一直忽視癌症最根本的一個特徵——它是一種不斷進化的疾病。這聽起來很奇怪。我們習慣於動物、植物或微生物會進化，但癌症不是獨立的生命體，而是我們的一部分。然而，它也會隨著時間而進化，適應新的生存壓力。

在經典的癌症觀點中，細胞不斷積累突變，直到它擺脫抑制其生長的制衡，不受控制地分裂成為腫瘤。這種對癌症發生的理解就像那幅著名的進化圖。

著名的智人進化圖（圖片來源：spigotmc.org）

然而，這種線性理解並不準確。實際上，腫瘤很快就變化成為各種各樣的細胞，所有這些細胞都攜帶有獨立的突變。一些細胞可能變得增生更快，一些細胞可能變得能夠逃避脫免疫系統攻擊。隨著時間的推移，最適合生存的癌細胞才能產生更多的後代，並逐漸佔據主導地位——這正是達爾文自然選擇的本質。進化並非線性的過程，而更像是一棵樹，從樹榦長到枝繁葉茂。1837年，查爾斯·達爾文（Charles Darwin）在他的一本筆記本中畫了一棵樹，表示物種如何從一個共同的祖先進化。根據他的理論，可以很容易地畫出腫瘤的進化樹。

腫瘤的遺傳多樣性（左）回應了達爾文畫的進化樹（右）（圖片來源：Cancer Research UK）

這種認識可以部分解釋抗擊癌症的持久戰為何意外地困難重重。臨床醫生通常對腫瘤進行活檢（biopsy）來診斷這些疾病，但單次活檢可能會錯過重要的突變，因為相隔幾厘米的活檢樣本可能意味著非常不同的預後效果。當我們用藥物或放射線治療腫瘤時，其實是創造了有力的人工選擇過程，選擇了更頑固的腫瘤細胞能夠生存。癌症患者最初受益於化療。但隨著時間的推移，他們會出現對多種藥物的抗性。這就是複發和耐藥性產生的原因。

唯一可以真正理解腫瘤在任何時候都比臨床醫生領先一步的只有達爾文選擇。傳奇生物學家Theodosius Dobzhansky博士曾說過，「除了進化之外，生物學中沒有什麼是有意義的。」

癌症研究人員正在學習這一課。通過了解癌症如何進化，他們希望能想得比癌症更快。

Charlie Swanton博士帶領的研究團隊設在克里克研究所（Crick Institute）和倫敦大學學院（University College London），獲得英國癌症研究（Cancer Research UK ）慈善項目資助。從2013年開始，Swanton博士開展了一項名為TRACERx（TRAcking Cancer Evolution through therapy Rx）的重大研究項目，通過治療追蹤癌症進化。這項數百萬美元的研究由超過200名醫師參與，招募850名肺癌患者。項目在同一名患者診斷、治療、治癒或複發幾個時間點獲取其腫瘤樣本，使用這些樣本信息來了解癌症隨著時間的推移如何變化，如何影響患者的病情，並研究如何檢測和控制進化趨勢。

本文開頭提到的Brealey女士就是第39位參加TRACERx項目的患者。

癌症的世界裡，進化時刻在發生

認為癌症在不斷進化的觀點並不是新的。1976年，癌症研究員Peter Nowell博士在著名的《科學》雜誌上發表了一篇名為「腫瘤細胞群體克隆演化」的文章。這是一篇預言性質的論文，概述了研究人員以後確認的許多內容。他認為：「更多的研究應該是在腫瘤進入到臨床晚期階段之前，理解和控制癌症進化過程。

由於過於領先時代，Nowell博士的觀點在當時沒有被重視。在20世紀70年代，分子生物學是熱門的新興領域，各種新技術的出現使得科學家們可以在不可思議的細節上研究細胞。生物學發展出許多獨立的細分領域，出現了研究微觀細胞和分子以及研究整個生物體的兩個陣營。通常，癌症研究人員加入前者，進化生物學家加入後者。

Mel Greaves博士是個例外。現在已是英國癌症研究所進化研究中心（Center for Evolution at The Institute of Cancer Research）主任的Greaves博士，1960年代還在倫敦大學學院學習，專註於進化原理研究。他的導師給他灌輸的觀念是，身體內的細胞也受到自然選擇影響，就像物種內的個體一樣。所以當他讀到Novell博士的文章的時候，眼前一亮。他說：「我當時想『這就是癌症問題的根本！』這篇文章讓人嗅到正確的味道，讓我想起了我正在做的一切。」

但是直到世紀之交，能夠針對單個癌細胞的基因組測序新技術出現時，Greaves博士才在兒童白血病的工作中實踐了這一理論。2010年，Greaves博士和他的團隊通過基因測序研究了30名白血病患者。在每一個患者中，他們確定了200個癌細胞內的突變，並比較了這些細胞之間的關係。「馬上，我們看到了樹木，」他說：「你可以找到最初突變的細胞，找出它的後代及後代的後代。」在之後兩年，學術界興起了一波癌症進化的研究熱點。

腫瘤進化示意圖，從正常細胞變成腫瘤細胞通常要經過許多驅動突變（圖片來源：《自然》）

通過TRACERx項目分析腫瘤異質性，並追蹤其從診斷到複發的進化軌跡，Swanton博士發現了癌症進化的機制。2012年，Swanton博士和他的同事們從一個腎癌患者樣本中發現了進化樹。團隊成員Marco Gerlinger博士回憶說：「即使是用肉眼，就能看到顯而易見的變化。腫瘤樣本有不同顏色，有些地方含血更多；有些地方是淡黃色半透明的外觀，因為它們正在儲存脂肪；還其些地方是棕色的，非常緻密，表明缺乏血管。」

癌症本身就是一個世界。一端的腫瘤細胞與另一端的腫瘤細胞，以及轉移的繼發性腫瘤細胞，都含不同的基因突變。Swanton博士在腎癌樣本中檢測到了128個突變，大約只有三分之一的突變類型中各個腫瘤部位中存在，四分之一的突變類型是獨一無二的。另外三例腎癌患者的樣本分析結果也有這樣的特點。其他研究人員在食道癌、腸癌、腦癌、乳腺癌、胰腺癌等多種癌症中都發現了相同的分布規律。Greaves博士說：「可以認為每個患者都同時有幾種獨立的癌症。例如白血病患者會有3到20種。天知道肺癌有多少種。」

Swanton博士團隊發現的腎癌進化樹，藍色-普遍共有突變，紅色-特有的突變，黃色-原位癌共有突變，綠色-轉移癌共有突變（圖片來源：參考資料[14]）

在這些發現的推動下，癌症研究也開始「進化」。到目前為止，我們還沒有明白癌症這種怪獸的本質。

「我不感到退縮，」Greaves博士微笑著說：「現在我們知道為什麼癌症治療失敗，為什麼我們在消除這種疾病方面如此困難。這就像細菌的耐藥性。這是一場進化式的軍備競賽。」

洞察力意味著戰鬥勝利了一半，剩下的一半就是努力解決這個問題。

抗癌就像下棋，而不是打地鼠

第一代的抗癌藥物主要是打擊癌症的快速增殖。但是在人類基因組完成測序後，研究人員期待開發出更精確的武器，通過尋找促進癌症發展的基因突變，針對這些基因設計藥物。Udai Banerji博士任職於倫敦的英國癌症研究所，是這家世界上最有影響力的癌症研究所中的一名醫學腫瘤學家，他認為，在「靶向治療」進入個體化醫學的新時代，這些藥物「雖然在人體上有驚人的反應，但藥物不能治癒」。除了罕見的病例外，「靶向葯會在一段時間內有效，然後大約在用藥後九個月至兩年之間，患者會產生抗藥性。

Greaves博士和Swanton博士等人發現的腫瘤多樣性解釋了靶向葯耐葯的原因。一種藥物可能會成功地消除絕大多數腫瘤細胞，但即便只有幾個倖存細胞含有可以抵抗這些藥物的突變，它們就會重新生長。癌症圍繞著藥物進化，然後腫瘤複發。更糟糕的是，腫瘤具有多樣性，所以靶向治療只會打擊整個腫瘤的一部分，而帶有跟靶向葯機理不同的遺傳信息的癌細胞病灶會活下來，它們會重新生長成新的腫瘤。靶向治療是強大的，但癌症有很多靶心，在受攻擊的任何時候都會移動位置。

炎性導致的增生環境下，缺氧(Hypoxia)，酸中毒(Acidosis)提供有力的進化選擇，增加基因組不穩定性。基因組不穩定性與達爾文選擇的結合加速了進化速率，導致腫瘤內不同進化分支的生長，產生的新生腫瘤的基因型/表型多樣性導致惡性腫瘤，並且在治療壓力下產生抗性（圖片來源：參考資料[7]）

義大利都靈大學（University of Torino）腫瘤學家Alberto Bardelli博士說：「這種認識使我改變了觀念。」不要追蹤特定的癌症基因，「我們需要追蹤腫瘤的發展——它們隨著時間的推移如何變化，才能夠搶佔先機。」

首先，了解癌症的進化過程可以幫助研究人員選擇正確的目標。一些突變在腫瘤的生命早期發生，並且在腫瘤的所有細胞中存在——稱為主幹突變（trunk mutation），另外的突變發生在後期，只在某些腫瘤部位存在——稱為分支突變（branch mutation）。「如果你要瞄準突變，就應該對準主幹突變，」Greaves博士說：「否則就像修剪樹枝——只會刺激樹木生長。」格列衛（Gleevec）是最成功的靶向療法之一併非巧合，它針對的就是白血病的主幹突變，這一突變幾乎總是白血病的初期發生。格列衛能夠攻擊每個癌細胞，這就是為什麼它療效顯著。

靶向藥物格列衛（Imatinib）治療費城染色體陽性的慢性粒細胞白血病(CML)，融合基因Bcr-Abl是病發的誘因（圖片來源：National Cancer Institute）

科學家們已經開始識別其他癌症類型中常見的主幹突變。攻擊這些突變肯定是一個更好的策略，而不是在分支突變中無效地進行攻擊，但這依然沒有改變腫瘤可以適應環境和重新生長的事實。更好的方法可能是使用組合靶向藥物——一些藥物攻擊已經存在的突變，另一些則攻擊那些有可能發生的突變。

比如，許多癌症都存在EGFR基因突變，cetuximab（西妥昔單抗）藥物就專門阻斷該基因。但很多經過西妥昔單抗治療後縮小的腫瘤總是反彈，原因是發生了第二個稱為MEK的基因突變。通過西妥昔單抗和MEK阻斷藥物聯合用藥，Alberto Bardelli博士設法成功地治療了小鼠的腸癌（參考資料[6]），沒有任何複發。他通過切斷腫瘤通常的進化逃生路線阻止了複發，而不是簡單的對付腫瘤。正如美國著名癌症中心H. Lee Moffitt Cancer Center的Robert Gatenby博士和他的同事們曾經說過的，「抗癌就像是下棋，而不是打地鼠。」（參考資料[7]）我們需要考慮全局走勢。

但是Banerji博士也承認，他在小鼠中使用的方法在實踐中不太可能發揮作用，因為聯合用藥的化學療法毒副作用太大。可能會殺死腫瘤，但也會連累患者。他說：「我們已經研究了多種聯合用藥方法，試過了所有的組合。但這不能改變遊戲規則。」我們的對手是進化本身——癌症進化是最危險的敵人，對人類每個進攻都有防守策略。」就像英國化學家Leslie Orgel博士就曾經說過的，「進化比人更聰明」。因此，與其阻止癌症不可避免的進化過程，改變它的進化方向也許更有效。

Banerji博士的同事Andrea Sottoriva博士說：「任何進化都要付出代價。人類通過直立行走解放了雙手，代價是跑不過獅子。」同樣，癌細胞抵抗藥物的突變也可能會減慢其增生。這意味著耐葯細胞只能在藥物存在下才會比對藥物敏感的細胞更有生存優勢，而正常情況下它們的競爭力較弱。醫生可以通過多次反覆治療來潛在地利用這個弱點。用一種藥物攻擊腫瘤，敏感細胞死亡，而耐葯細胞開始生長。然後停止用藥，讓敏感細胞反彈。通過重複這個策略清除癌細胞。這種「自適應療法」（adaptive therapy）的目標不是消滅腫瘤，而是讓它保持平衡（參考資料[8]）。Gatenby博士在小鼠乳腺癌中測試了這種療法。通過不同的劑量方案，他設法控制小鼠腫瘤的生長，儘管經常在一次數周內都沒有用藥。

我們甚至有可能引誘癌症進入陷阱。當腫瘤適應於藥物時，通常是少數細胞發展出耐藥性並重新生長為癌症。這意味著在某個時間點腫瘤會經歷一個瓶頸，從一個具有基因多樣性的聚合物轉變成一個具有單一基因的小球。如果這些癌細胞克隆都對第二種藥物敏感，並且研究人員可以預測到這種敏感性，那麼他們就能找到藥物提前布好陷阱，給腫瘤致命一擊。Banerji博士和Sottoriva博士都在測試這一策略，給癌細胞接連使用不同的藥物，看看能否將多樣性的腫瘤轉變為對同一種藥物敏感的單純腫瘤。Sottoriva博士說：「如果我們能治好癌症，那簡直太棒了。但是，如果我們能使癌症控制成為一種慢性疾病，像艾滋病一樣，這也能接受。」

其他科學家正在研究進化過程本身。Swanton博士已經發現腎癌中存在SETD2主幹基因突變，該基因有助於修復DNA損傷（參考資料[9]）。「這樣的基因有助於保持基因組的完整性，」他解釋說。突變本身不直接導致癌症，但它會使細胞失去修復自身DNA錯誤的能力，導致更多的突變發生。換句話說，這些突變促進細胞更快進化。針對這類型突變研究療法，可能會減慢癌症的進展。

即使像阿司匹林這樣簡單的藥物也會這一招。我們已知阿司匹林可以降低結腸癌、食管癌和胰腺癌的風險。部分原因這可能是因為它能對腫瘤的早期進化起到剎車作用。亞利桑那州州立大學（Arizona State University）的Carlo Maley博士在巴雷斯特食道症（Barrett』s esophagus）患者進行了一項研究（這種疾病經常導致食管癌），發現沒有服用阿司匹林的患者體內基因突變速度增加13倍。

「這項研究很小，只有13名患者，理想情況是在一大群人中確認，其中一半人隨機給予阿司匹林，」Maley博士承認。但他補充說，在耐藥性發生之前避免癌症有機會進化——這種預防癌症的觀念是正確的。他說：「我們並不是想打敗進化，而是要管理進化。癌症領域仍然以治療為主，但我們應該著重於預防癌症。我們應該在問題變得棘手之前進行干預。」

腫瘤基因組越混亂，癌症就越有可能回來

不幸的是，Laura Brealey女士去年11月份離世。「她是個非常堅強的女性，也是TRACERx項目最熱心的支持者之一。我們都很想念她。「Swanton博士說：「癌症仍然是一種可怕的疾病。儘管進行了所有這些研究，但是我們還沒有得到想要的生存率。「作為一個醫生，Swanton博士會為每一次對患者的治療失敗而流淚，但是他仍然心存希望。患者貢獻的疾病信息十分寶貴，使醫生在面對不斷變化的對手（癌症）時獲得更好的對策。

TRACERx項目研究終於迎來了第一個結果，最近同時發表了兩篇重量級研究結果。在《New England Journal of Medicine》發表的論文針對842名入組患者的前100名（包括Brealey女士在內）進行研究，結果顯示每個腫瘤本身就是一個世界。總共有三分之一的突變屬於分支突變，僅限於腫瘤的特定部位。有些患者只有這些分支突變中的少數幾個。一名患者攜帶了最多突變——2310個（參考資料[10]）。

這些分支突變就像一本書中的單字拼寫錯誤，但是該小組發現了更複雜的突變類型——染色體重排，相當於整個段落被重複，刪除或重新排列。平均而言，這些大規模重排佔了腫瘤基因組的一半，高突變率患者的複發率比低突變率患者高出五倍。曾在TRACERx工作多年的醫學腫瘤學家Mariam Jamal-Hanjani博士說：「我們沒有預料到，僅在前100名患者中我們就看到了跟臨床有關的發現。」腫瘤的基因組越混亂，癌症就越有可能回來。

Swanton博士說：「肺癌是一個非常複雜的疾病。它比我們在腎癌中看到的還有更多的不穩定性。」更糟糕的是，這種不穩定性可能會改變肺癌的進化史，使原本在癌症進化過程中保持穩定的主幹突變也會變化。換句話說，隨著肺癌的發展，主幹突變可能會變成分支突變，這意味著對付主幹突變也不能打倒肺癌。

仍然，Swanton博士還是看到了希望。他的團隊發現，許多這些大規模重排是一系列稱為APOBEC的酶引起的（參考資料[11]）。這些酶通常參與免疫反應，但似乎在肺癌等幾種類型的癌症中扮演流氓角色，提供了「癌症進化所需的致癌燃料」（參考資料[12]）。即使在重度吸煙者中，APOBEC酶也比煙草煙霧中的化學物質導致更多的DNA突變。全球正在開展多項靶向APOBEC酶來阻止癌症進化的研究。

這樣的努力可能需要很長時間才能結出結果，但接受癌症的進化觀點已經影響了臨床醫生的治療決策。

醫生通常在診斷腫瘤時對患者進行一次活檢，然後根據該樣本做出治療決定，即便是複發也依賴診斷時的樣本檢測結果。這就像使用過去十年的股票信息來指導明天的投資。我們現在試圖獲得最新的和最能代表患者病情的信息。

但活檢顯然沒法辦到。因為隨著時間的推移，多次獲取患者腫瘤組織是不切實際的，而且需要從不同的腫瘤部位進行取樣，才能確定腫瘤的多樣性。

幸運的是，還有另一種選擇

當癌細胞死亡時，它們的DNA片段會釋放到宿主的血液中。這種DNA被稱為循環腫瘤DNA（ctDNA）。作為一種「液體活檢」手段，ctDNA能夠全面反應腫瘤的實時狀態，而不需要侵入性活檢。針對許多癌種的研究已經顯示，死亡癌細胞的這些自由漂浮的幽靈可以預示腫瘤大小、複發和耐藥性等信息。

TRACERx項目發表的第二篇論文（參考資料[12]）顯示，ctDNA也為肺癌提供了一種有益的看法。在某些情況下，患者術後的ctDNA水平很快升高，表明儘管正在接受化療，其腫瘤仍然在反彈。在其他情況下，ctDNA里會出現新的分支突變，表明腫瘤在CT掃描可見之前幾個月就已經複發。ctDNA可以作為癌症實時演化的生物標誌物，也可以用來評估治療方案的效果。

但是，目前用於ctDNA測序的技術仍然太昂貴，不能在臨床中普遍使用，而且檢測早期癌症的靈敏度還不夠高。ctDNA在多大程度上能代表腫瘤的整體情況也還不太清楚。但Swanton博士認為這些障礙可以克服。他說：「十年後，我們可以期待使用循環DNA持續監測腫瘤進展，並相應地調整治療策略。」

五年前，Swanton博士患上的腎癌也曾讓他感到悲觀和不安。但是像他研究的疾病一樣，他也挺過來了。「當我們第一次選擇這條路時，我感到十分沮喪，但是也讓我看到了問題的另一面。在過去的幾年裡，我變得很樂觀。通過理解和擁抱複雜性，我們可以對付癌症。「

六年前，Swanton博士失去了他的祖父，因為一種發生於肺部或腹部組織的癌症——間皮瘤。Swanton博士說：「我沒有一天不想念他（祖父）的時候。希望像我這樣不得不面對自己父母或兄弟姐妹死於癌症的人，有一天會被醫生告知『這是一種40年前的疾病，現在我們可以治癒它。』這就是我想看到的未來。」

45歲的Swanton教授領導團隊發表了146篇有關癌症進化與遺傳學的論文。最近兩篇發表於《自然》和《NEJM》雜誌上。（圖片來源：Crick Institute）

參考資料：

[1] how to fight cancer when cancer fights back

[2] http://www.cruklungcentre.org/Research/TRACER]

[3] Genetic variegation of clonal architecture and propagating cells in leukemia

[4] Cancer therapy: an evolved approach

[5] How close are we to curing cancer?

[6] Vertical suppression of the EGFR pathway prevents onset of resistance in colorectal cancers

[7] Evolutionary dynamics of carcinogenesis and why targeted therapy does not work.

[8] Exploiting evolutionary principles to prolong tumor control in preclinical models of breast cancer.

[9] SETD2 loss-of-function promotes renal cancer branched evolution through replication stress and impaired DNA repair

[10] Tracking the Evolution of Non–Small-Cell Lung Cancer

[11] An APOBEC cytidine deaminase mutagenesis pattern is widespread in human cancers

[12] APOBEC enzymes: mutagenic fuel for cancer evolution and heterogeneity

[13] Phylogenetic ctDNA analysis depicts early stage lung cancer evolution

[14] Intratumor Heterogeneity and Branched Evolution Revealed by Multiregion Sequencing

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