结直肠癌(CRC)是全球常见恶性肿瘤之一,疾病负担沉重
[1, 2]。化疗作为CRC治疗的重要手段,在降低术后复发风险和改善晚期患者预后方面发挥着关键作用
[3]。奥沙利铂是一线化疗方案的重要组成部分
[3-5],但临床实践中耐药普遍存在,是导致疗效受限及复发进展的关键因素之一
[6-8]。然而,结直肠癌奥沙利铂耐药的形成机制尚未完全阐明,且个体间差异显著
[6, 9, 10],临床研究提示除肿瘤内在遗传改变外,环境与生活方式因素亦可能参与塑造治疗反应
[11, 12]。
酒精摄入是重要且可干预的生活方式暴露因素
[13, 14]。大量流行病学研究及剂量–反应分析显示,中至重度长期饮酒与结直肠癌发生风险升高相关
[15, 16],并与患者生存结局密切相关
[17, 18]。国际癌症研究机构已将乙醇及其代谢产物乙醛列为饮酒相关致癌物
[13, 19];除外源性饮酒暴露外,肠道微生物还可通过发酵产生内源性乙醇,因此即使在未饮酒个体中亦可能存在低水平的肠道乙醇暴露
[20];而在菌群失衡或高产乙醇菌增殖的情况下,该暴露水平还可进一步升高
[21, 22]。这表明,乙醇相关暴露在肠道环境中可能广泛存在。尽管乙醇的致癌效应已有较多报道,但其是否还能在肿瘤进展过程中通过调控特定信号通路促进化疗耐受,仍有待直接实验验证。
既往研究提示乙醇可增强转化生长因子-β(TGF-β)活性或诱导TGF-β1相关改变,从而激活TGF‑β signaling
[23-25]。该通路不仅参与结直肠癌进展及肿瘤微环境重塑
[26, 27],其持续激活亦被认为与多种抗肿瘤药物耐受表型密切相关
[28-30]。基于此,我们推测乙醇可能通过激活 TGF-β signaling 促进结直肠癌对奥沙利铂的耐药形成。本研究整合人群队列与多组学数据,并结合体内外功能实验,系统评估酒精暴露对奥沙利铂疗效及耐药的影响,阐明乙醇可能介导的关键信号机制,并探索靶向 TGF-β signaling 的潜在干预策略,为改善结直肠癌化疗反应提供实验依据。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 细胞
人结直肠癌细胞系HCT116(RRID: CVCL_0291)、SW480(RRID:CVCL_0546)购自American Type Culture Collection(ATCC)。
1.1.2 试剂
RPMI 1640培养基(Thermo Fisher ),胎牛血清(Invitrogen),吡非尼酮(MedChemExpress),奥沙利铂(Sigma),Lieber-DeCarli 乙醇液体饲料(TROPHIC Animal Feed High-Tech Co.LTD,)。Annexin V-FITC/PI 凋亡检测试剂盒(KeyGen Biotechnology),CCK-8试剂盒、EdU 细胞增殖检测试剂盒、RIPA 裂解缓冲液(碧云天),Trizol 试剂(Thermo Fisher Scientific),SYBR Green PCR Master Mix(Applied Biosystems)。Western blotting相关一抗:phospho-Rb(Ser780)、phospho-Rb(Ser795)、P21、TGF-β1、Smad2、phospho-Smad2、HRP 标记二抗 及 GAPDH 抗体(Cell Signaling Technology)。qPCR 引物由擎科生物公司合成,引物序列见
表1。
1.1.3 动物
4~5周龄雄性裸鼠,由广东省实验动物中心提供,饲养于珠江医院实验动物中心。体内实验通过南方医科大学珠江医院医学伦理委员会审批(伦理批号:2022-KY-307-01)。
1.1.4 临床样本
收集珠江医院2013年1月~2017年12月伴有转移的结直肠癌(28例)和不伴转移的结直肠癌(76例)的原发灶肿瘤组织样品。采集2023年1月~2025年12无饮酒史健康人群(13例)与CRC(21例)患者粪便样本。所有肿瘤样本均经珠江医院病理科确诊。
1.1.5 公共数据库
转录组数据集GSE44076、GSE39582及 GSE103479来源于 Gene Expression Omnibus(GEO)数据库;终生饮酒水平与 CRC 发生风险的 HR(95%
CI)来源于已发表的 PLCO Cancer Screening Trial 研究
[31]。
1.2 方法
1.2.1 临床样本及公共数据库分析
CRC临床样本来源于珠江医院行手术切除的患者。收集肿瘤组织及配对癌旁正常黏膜组织,用于 ADH1C与ADH1B的定量PCR检测。所有样本均经珠江医院病理科确诊。研究获得珠江医院伦理委员会批准,并严格遵循《赫尔辛基宣言》相关原则;所有患者均签署知情同意书。从 GEO数据库中获取包含CRC与正常组织(GSE44076、GSE39582)或化疗相关临床信息(GSE103479)的转录组数据集,用于分析酒精代谢相关酶(ADH1C、ADH1B、ALDH2、ALDH1A1、ALDH1B1)的表达特征及其与化疗结局和生存的关系。终生饮酒水平与 CRC 发生风险的风险比(HR)及95%置信区间来源于已发表的 PLCO Cancer Screening Trial 研究,并重新绘制森林图,用于展示直肠癌、近端结肠癌、远端结肠癌及总体 CRC 的风险关联。
1.2.2 细胞培养与处理
结直肠癌细胞系 HCT116、SW480细胞培养于RPMI 1640培养基中,补充10%胎牛血清,37 ℃、5% CO2条件下培养。实验中采用生理相关浓度乙醇(0、100、200 mg/dL,即0、22、44 mmol/L)处理48~72 h(22),通过密闭培养容器维持培养基中乙醇浓度稳定,并置于37 ℃湿润环境中。细胞同时可给予吡非尼酮(0.5 mg/mL)处理48~72 h。
1.2.3 CCK-8 细胞活力检测及 IC50 计算
采用 CCK-8检测细胞活力。SW480 与 HCT116 细胞以 3×10³~5×10³/孔接种于96孔板,贴壁后先以乙醇(0、100 或 200 mg/dL)预处理 48 h,随后加入不同浓度奥沙利铂(L-OHP)继续培养 24~48 h。每孔加入10 μL CCK-8 工作液,于37 ℃孵育1 h,测定吸光度值A450 nm。细胞存活率按对照组归一化计算。半数抑制浓度(IC50)采用 GraphPad Prism 软件基于非线性回归模型拟合获得。
1.2.4 Western blotting分析
采用RIPA裂解缓冲液提取细胞总蛋白,每孔上样量为20~60 μg,行10%SDS-PAGE电泳,转模,4%BSA封闭1 h。分别孵育一抗TGF-β1、Smad2、phospho-Smad2、p21、phospho-Rb (Ser780)、phospho-Rb (Ser795) 抗体稀释比例均为1∶1000,GAPDH 抗体稀释比例为1∶5000。一抗以5% BSA 或按说明书推荐稀释液配制,于4 ℃摇床孵育过夜(12~16 h)。次日 TBST 洗膜 3次,每次5~10 min,随后加入相应 HRP 标记二抗,按 1∶5000 稀释,于室温孵育1 h。二抗孵育结束后,再以TBST洗膜3次,每次5~10 min。最后采用 ECL化学发光试剂显影,并使用凝胶成像系统采集图像。Western blotting条带灰度值采用 ImageJ 软件进行半定量分析。扣除背景后,相关蛋白的灰度值分别与内参 GAPDH 灰度值进行归一化,所得比值用于比较各组蛋白表达变化。
1.2.5 RNA 提取、逆转录及实时定量 PCR
采用 Trizol 试剂提取临床组织样本总RNA。并使用 ThermoScript™ RT-PCR System 进行逆转录。qRT-PCR采用SYBR Green PCR Master Mix,在 ABI 7500HT实时定量PCR系统上完成检测。以 GAPDH mRNA作为内参基因,所有样本以内参标准化处理,基因相对表达量采用 2-ΔΔCt 方法计算。
1.2.6 细胞凋亡分析
收集5×10⁵细胞,经PBS洗涤后重悬于500 μL结合缓冲液中,加入Annexin V-FITC(5 μL)及碘化丙啶(5 μL)(KeyGen),避光孵育10 min后采用流式细胞术检测。
1.2.7 EdU 掺入实验
采用 EdU 细胞增殖检测试剂盒评估 DNA 合成活性。SW480 与 HCT116 细胞按实验分组处理结束前加入 EdU 工作液(10 μmol/L),37 ℃孵育2 h。随后弃去培养基,PBS 清洗后用4%多聚甲醛固定15 min,并用 0.3% Triton X-100 透化15 min。按说明书进行 Click 反应显色/荧光标记,并用 DAPI复染细胞核。使用荧光显微镜采集图像,随机选择5个视野计算 EdU⁺/DAPI⁺ 比例。
1.2.8 皮下结直肠癌小鼠模型
4~5周龄雄性裸鼠,实验前连续5 d给予Lieber-DeCarli乙醇液体饲料,SW480 或 HCT116 细胞经PBS重悬后皮下接种于裸鼠体内(n=6),接种后持续2周乙醇液体饲料喂养,随后停止所有处理1周,随后腹腔注射奥沙利铂(3 mg/kg,1次/周)或吡非尼酮(250 mg·kg-1·d-1)。每周测量肿瘤长径(D)与短径(d),肿瘤体积按公式V=0.5×D×d²计算。
1.2.9 粪便乙醇含量检测
采集无饮酒史健康对照与 CRC 患者粪便样本,匀浆离心取上清,采用气相色谱–质谱联用技术(GC-MS)结合标准曲线对乙醇进行定量,并按样本重量归一化后进行组间比较。
1.2.10 统计学分析
采用GraphPad Prism及SPSS 19.0进行统计。临床数据采用Wilcoxon及Mann-Whitney检验;分类变量采用χ²检验;组间比较采用非配对或配对t检验;生存分析采用Kaplan-Meier及Cox回归模型。所有检验均为双侧,数据以均数±标准差表示。P<0.05被认为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 酒精相关 CRC 以乙醇氧化受损及肿瘤内乙醇蓄积为特征
以当前轻度饮酒者(0~1次/周)为参照,重度饮酒者(≥14次/周)在总体 CRC 及各解剖部位中的HR均大于1,其中直肠癌的 HR 最高(
图1A~D)。在 GSE44076与GSE39582 数据中,肿瘤组织ADH1C与 ADH1B均显著下调(均
P<0.001,
图1E、G)。相比之下,ALDH家族基因表达改变相对较小,其中 ALDH1A1 下调、ALDH1B1上调,ALDH2亦存在统计学差异,但变化幅度较小(
图1F、H)。在无饮酒史健康人群及CRC患者粪便样本中均可检测到乙醇(
图1I)。
2. 2 慢性乙醇暴露削弱 CRC 对奥沙利铂的应答
肿瘤组织 ADH1C 与 ADH1B 低表达显著关联于更高的复发生率(
图2A~D),而在任何关键 ALDH 改变的患者中均未观察到类似关联(
图2E、F)。与此同时,GSE103479数据集生存分析显示,化疗仅在 ADH1C 或 ADH1B 高表达的 CRC 患者中显著改善总体生存,而在低表达亚群中未显示明显获益(
图2G~I)。进一步 Cox 回归分析显示,仅ADH1C的表达改变被确定为 CRC 患者的非独立预后指标(
表2)。
在相同剂量奥沙利铂处理下,饮酒组肿瘤体积显著高于对照组(
P=0.045),提示慢性饮酒显著增强 CRC 对奥沙利铂的耐受性。同时,4-MP 处理亦呈现促进肿瘤耐药的趋势(
图2J)。
2.3 乙醇通过诱导细胞周期阻滞增强 CRC 细胞对奥沙利铂的耐药性
SW480与HCT116细胞在100 mg/dL和200 mg/dL EtOH两种浓度下均具有良好耐受性(
图3A)。半数抑制浓度(
图3B、C)、CCK-8(
图3D)及流式细胞术(
图3E)结果一致表明,乙醇以非剂量依赖方式增强了两种 CRC 细胞系在体外对奥沙利铂的耐药性。流式细胞术(
图3G)及EdU实验(
图3F)显示,乙醇以剂量依赖方式诱导G0/1期阻滞并减少S期细胞比例。
2.4 乙醇激活TGF-β/Smad/P21 轴驱动奥沙利铂耐药并可被吡非尼酮逆转
乙醇显著增强 Smad2 的磷酸化,提示 TGF-β 信号通路被激活(
图4A)。Western blotting结果显示,乙醇上调了TGF-β下游细胞周期抑制因子P21的表达。同时,乙醇暴露后p-Rb(Ser780)与p-Rb(Ser795)水平均明显下降,与P21上调导致CDK活性受抑、Rb 低磷酸化并促发G0/1期阻滞的机制一致(
图4A)。
在体外,PFD显著逆转了乙醇诱导的 G0/1 期细胞周期阻滞,并恢复CRC细胞对奥沙利铂的敏感性(
图4B、C)。PFD 也同步抑制了乙醇介导的 Smad2 磷酸化与 P21 上调,并恢复Rb的磷酸化水平(
图4D)。在体内,PFD 同样显著消除了饮酒对奥沙利铂疗效的不利影响;此外,在未饮酒条件下,单独给予 PFD亦表现出改善奥沙利铂治疗反应的趋势(
图4E)。
3 讨论
饮酒已被广泛认为是CRC的重要危险因素
[14, 32, 33],但其在肿瘤治疗反应,尤其是化疗耐药中的作用机制仍缺乏系统阐释
[28, 34, 35]。既往研究更多聚焦乙醇及其代谢产物乙醛的致癌作用以及与肿瘤发生风险的关联
[13, 19],而对“乙醇暴露如何塑造肿瘤细胞药物反应性”的直接实验支持相对有限。本研究整合人群队列、临床转录组以及体内外功能实验,提出一种新的耐药模式:在乙醇暴露背景下,CRC 中乙醇氧化能力受限可能延长乙醇作用窗口,进而激活 TGF-β/Smad/P21 轴并诱导 G0/G1 期细胞周期阻滞,从而削弱奥沙利铂的细胞周期依赖性杀伤;同时,吡非尼酮干预该轴能够部分逆转这一耐药表型,为酒精相关 CRC 的分层管理与联合治疗提供了新的机制依据。
基于PLCO的数据分析
[31],终生高饮酒频率与 CRC 总体及各解剖部位风险升高显著相关,其中直肠癌最为明显。这一结果从人群层面进一步支持了饮酒与 CRC 发生发展之间的密切联系。但值得强调的是,本研究并未停留于“饮酒增加患癌风险”这一既有认识,而是进一步关注饮酒是否会影响已发生肿瘤的治疗反应。基于上述发现,我们推测慢性饮酒可能通过增加肠道对循环乙醇的暴露,从而削弱 CRC 对奥沙利铂的治疗反应。该推测也与本研究动物实验结果相一致,即在相同奥沙利铂处理条件下,慢性饮酒组表现出更明显的肿瘤耐受表型,提示乙醇暴露不仅可能参与肿瘤发生,也可能参与肿瘤治疗应答的重塑。
进一步地,通过GEO队列分析发现 ADH1B 与ADH1C在CRC中普遍下调,而ALDH2 变化幅度相对有限,。这一表达特征提示,CRC中可能存在乙醇代谢相关异常,其中乙醇氧化相关过程值得关注,但仍不能排除其他代谢环节或非代谢机制共同参与其生物学效应。既往关于酒精相关肿瘤的研究,更多关注乙醛蓄积所导致的 DNA 损伤与致癌效应,而本研究结果提示,在 CRC 中,乙醇本身的持续存在可能同样具有重要生物学后果。结合既往研究显示即使在无饮酒人群的肠道环境中亦可检测到基础水平乙醇,这些结果共同提示 CRC 微环境中可能长期存在低水平乙醇暴露;而当 ADH1B/ADH1C 表达下调时,这种基础暴露所产生的乙醇可能更难被及时清除,从而进一步延长乙醇对肿瘤细胞的作用窗口。由此可见,ADH1B/ADH1C 的低表达不仅是单纯的代谢异常标志,更可能构成影响化疗敏感性的功能性分子基础。
值得注意的是,ADH1B/ADH1C 低表达还与明确的临床结局相关。我们观察到,其低表达显著关联化疗后复发风险升高,并削弱奥沙利铂所带来的生存获益。这提示 ADH1B/ADH1C 不仅反映肿瘤细胞代谢重编程状态,还可能具有潜在的预测价值。尤其是 ADH1C 作为乙醇氧化过程中的关键限速酶,其表达下降所导致的乙醇蓄积,可能构成一种此前未被充分重视的耐药驱动因素。换言之,在部分 CRC 患者中,影响奥沙利铂疗效的并不一定只是经典的 DNA 损伤修复或药物外排机制,代谢微环境中乙醇暴露的持续存在也可能是重要补充因素。
在机制层面,本实验结果表明,乙醇可通过诱导 G0/G1 期阻滞增强 CRC 细胞对奥沙利铂的耐受性。由于奥沙利铂的细胞毒作用具有明显的细胞周期依赖性,因此当更多肿瘤细胞停滞于 G0/G1 期、进入相对低增殖状态时,其对药物的敏感性将随之下降。进一步分析显示,该过程主要由 TGF-β/Smad/P21 轴介导:乙醇处理后可上调 TGF-β1 水平并增强 Smad2 磷酸化,随后诱导 P21 表达升高,抑制 CDK 活性并促进 Rb 去磷酸化,最终加强 G0/G1 期阻滞。这一结果提示,乙醇并非简单通过增加细胞毒性或改变基础活性来影响药物反应,而是通过主动重塑细胞周期状态,使肿瘤细胞暂时逃逸奥沙利铂最有效的杀伤窗口,从而形成一种适应性耐药表型。这也为理解“代谢暴露如何转化为治疗耐受”提供了更加明确的分子解释。
在治疗意义上,我们观察到临床抗纤维化药物吡非尼酮可有效抑制乙醇介导的TGF-β信号激活,解除 G0/G1 阻滞并恢复奥沙利铂敏感性,该效应在体外及体内模型中均得到验证。既往研究已报道吡非尼酮具有干预TGF-β signaling 的能力
[36, 37],但其在酒精相关 CRC 化疗耐受中的潜在价值尚未得到系统评估。我们的结果提示,靶向 TGF-β 轴可能成为饮酒相关或具有 ADH1B/ADH1C 低表达特征患者的一种潜在联合策略;同时,ADH1B/ADH1C 的表达状态也可能用于辅助识别更可能从奥沙利铂获益的患者亚群,从而为精准化疗分层提供依据。
综上,本研究提出“乙醇代谢受损–TGF-β 激活–细胞周期阻滞–奥沙利铂耐药”的关键轴线。该发现不仅为酒精相关 CRC 的耐药的可能机制提供新的代谢学解释,也提示 ADH1B/ADH1C 可作为潜在预测标志物,而TGF-β干预策略可能为具有饮酒史或 ADH 低表达特征的患者提供新的联合治疗思路。
当然,本研究仍存在一定局限。首先,我们尚未直接测定人CRC组织内乙醇的实际浓度,因此有关肿瘤局部乙醇蓄积的结论仍主要基于代谢酶表达变化、既往文献及功能实验结果进行推断。其次,乙醇是否还可通过影响免疫微环境、氧化应激状态或 DNA 损伤修复过程协同参与奥沙利铂耐药,仍有待进一步研究。此外,尽管吡非尼酮在本研究中显示出较好的逆转作用,但其是否能够在临床真实世界中改善特定患者亚群的化疗获益,仍需更多前瞻性研究加以验证。尽管如此,本研究结果已为酒精相关 CRC 的精准分层与联合治疗提供了重要的实验依据和理论支持。
国家自然科学基金青年项目(82103399)
广州市基础研究计划项目(2024A04J9992)