肿瘤细胞代谢异质性与实体瘤内抗肿瘤药物PK-PD的关联研究

In clinical practices, anti-tumor drugs showing different effects in tumor cell subpopulations from various regions of solid tumor. Tumors were traditionally treated as a uniform therapeutic target. Comparing to traditional treatment plan, elucidating drug effects on different tumor regions may provide more accurate evaluation of pharmacological effects. Three-dimensional multicellular spheroid has an obvious advantage in describing spatial difference of tumor mass. And we previously, based on multicellular spheroid, established a method of evaluating intratumoral drug disposal characteristics to quantitatively address drug concentrations in different tumor regions. However, only the intracellular drug concentration changes characterize the final pharmacodynamic changes, regardless of various physiological status of tumor cell in different regions，there will be an irrelevant PK-PD phenomenon. Here, we propose to analyze the metabolic profiles in cells from different tumor regions and figure out the endogenous metabolic indexes that characterize the effects of different anticancer drugs. Next, based on previously established evaluation method of intratumoral drug disposition, we aim to found a novel integrated method of “PK-MT-PD”, by introducing the quantitative endogenous metabolic index of drug sensitivity. Based on the integrative study between metabolic heterogeneity of tumor cells and anti-tumor drug PK-PD profile, we aim to provide a superior method for the spatial heterogeneity study of anti-tumor effects.

抗肿瘤药物在实体瘤不同区域细胞内存在作用差异。相比将肿瘤看作均一整体，以瘤内不同区域细胞作为独立研究对象，阐明药物作用的空间差异，能更加准确地反映抗肿瘤疗效。三维球体细胞是研究瘤内不同区域药物差异作用的较理想模型。申请人前期建立了基于球体细胞的抗肿瘤药物瘤内处置特征评价方法，定量化分析了肿瘤不同区域细胞内的药物含量，但仅以胞内药物浓度表征最终药效，忽略细胞自身状态差异，会出现PK-PD不相关的现象。内源性代谢谱能实时反映细胞状态，多项研究表明细胞内源性代谢变化与抗肿瘤药效的关系。因此，本项目拟建立肿瘤内不同区域代谢谱差异研究新方法，针对不同抗肿瘤药物，寻找与药效相关的内源性差异化合物；在前期建立的肿瘤内药物处置特征评价方法的基础上，引入差异内源性化合物变化,建立“PK-MT-PD”结合研究新方法，以肿瘤细胞代谢异质性侨联不同区域PK-PD变化行为，完善实体瘤内不同区域的药物作用差异研究。

抗肿瘤药物在实体瘤不同区域细胞内存在作用差异。相比将肿瘤看作均一整体，以瘤内不同区域细胞作为独立研究对象，阐明药物作用的空间差异，能更加准确地反映抗肿瘤疗效。本项目首先创新性地建立了基于MCTS的单细胞PK/PD评价方法，实现了不同区域细胞内药物累积和药效行为的定量化描述。通过分析不同细胞层PK/PD参数的空间差异以及相关生理参数，发现了调节药物肿瘤内PK/PD行为的内源性代谢靶点---磷酸戊糖通路（PPP）。肿瘤内PPP会呈现时程和区域依赖性变化，即随肿瘤生长时长的延长和肿瘤体积的增加，PPP主要限速酶G6PD表达及酶活显著降低、通路特征代谢产物含量显著下调。与此同时，相较于肿瘤最外层区域，肿瘤中心区域G6PD表达更低，PPP受阻更为严重。这一现象在临床肿瘤组织中也得到了验证。进一步实验证实PPP通路与肿瘤细胞对化疗药物的敏感性密切相关。相比于P-gp抑制剂联用仅能优化外周区域细胞、HIF-1α抑制剂联用仅能优化中心区域细胞，干预内源性生化靶点，PPP通路限速酶G6PD，可有效作用于肿瘤中心及外周各区域细胞，优化范围更广，优化效果更强，有效逆转了化疗药物PK/PD行为的空间差异。基于此，提出了“人参皂苷Rh2-DOX”序贯给药方案，体内外研究均显示出更优的抗肿瘤作用，同时延缓了停药后肿瘤的再生长。这种通过代谢重编程和氧化还原重平衡来抑制P-gp的新方法为化疗期间在肿瘤无血管区获得更好的抗肿瘤效果提供了新的思路。综上，超额完成了计划书约定的内容，达到预期目标。基于本项目的研究，发表了SCI论文3篇，均为国际权威的药学1区杂志，其中2篇影响因子>10，1篇影响因子>8。另有核心期刊论文1篇，公开实验方案1篇。项目完成过程中，培养博士研究生2名、硕士研究生3名。