胰腺导管腺癌(PDAC)是全球范围内最具侵袭性和致死性的恶性肿瘤之一,其五年生存率长期低于10%。超过90%的PDAC病例携带致癌性KRAS突变,该突变通过持续激活下游MAPK信号通路,驱动肿瘤细胞的增殖、生存及代谢重编程。尽管近年来针对KRAS G12C等特定突变体的直接抑制剂已在临床取得突破,但绝大多数PDAC患者仍缺乏有效靶向治疗手段,且耐药问题日益突出。因此,探索通过“垂直抑制”策略——即同时靶向RAS通路中上下游关键节点(如SHP2与MEK)以增强疗效并延缓耐药,已成为当前研究的重要方向。
德国弗莱堡大学医学中心领衔的多学科团队,在Dietrich A. Ruess教授的指导下,开展了系统性的代谢机制研究。该团队此前已揭示SHP2在KRAS突变PDAC中的关键作用,并在本研究进一步探讨:双重抑制SHP2与MEK是否能够通过重塑肿瘤细胞的代谢状态,尤其是线粒体功能与氧化还原平衡,从而暴露出可被临床利用的代谢脆弱性。研究综合运用了人源与鼠源PDAC细胞系、内源性基因工程小鼠模型以及患者来源类器官,结合多组学分析与功能实验,首次系统阐明了垂直RAS抑制如何通过“代谢重编程”创造出一个可被药物攻击的致命弱点。这项成果不仅揭示了联合治疗克服耐药的新机制,更重要的是,它提出了“SHP2/MEK抑制剂联合铁死亡诱导剂”这一极具转化前景的全新治疗范式,为攻克RAS突变型PDAC这一顽疾提供了崭新的战略方向。
中文标题:胰腺癌中垂直RAS通路抑制驱动可治疗的线粒体改变
期刊名称:Signal Transduction and Targeted Therapy(STTT)
影响因子:52.7
发表时间:2026年1月16日
01 研究背景
1.胰腺导管腺癌(PDAC)预后极差,其核心驱动因素是KRAS基因突变(>90%),该突变导致RAS-MAPK信号通路持续激活,促进肿瘤增殖、存活及代谢重编程。尽管针对特定KRAS G12C突变的直接抑制剂已上市,但绝大多数PDAC患者携带G12D等其他突变,仍缺乏有效靶向疗法。且单药治疗易引发耐药,成为临床主要瓶颈。
2.为克服耐药,研究聚焦于垂直抑制策略——即同时靶向RAS通路上游(如SHP2)和下游(如MEK)关键节点。临床前研究表明,SHP2抑制剂与MEK抑制剂的联用具有显著协同效应,能更彻底地阻断通路信号、延缓耐药发生,相关联合方案已进入临床试验阶段。
3.然而,这种强力抑制引发的肿瘤细胞代谢适应性变化尚不明确。已知KRAS突变驱动多种代谢途径重编程(如糖酵解、谷氨酰胺代谢、自噬),这些代谢改变与耐药密切相关。因此,阐明垂直RAS抑制是否以及如何影响PDAC的代谢状态,并能否由此暴露出新的、可成药的代谢脆弱性(如铁死亡敏感性),是该领域亟待解决的关键科学问题。本研究正是在此背景下,系统探究SHP2/MEK双重抑制下的代谢重塑及其治疗意义。
02 研究创新点
1.首次系统揭示垂直RAS抑制引起的线粒体代谢重塑及其在耐药状态下的持续性。
2.提出“代谢脆弱性”转化策略:通过诱导线粒体氧化应激,增强PDAC对铁死亡的敏感性。
3.多层次模型验证:涵盖细胞系、类器官、转基因小鼠,增强结论的普适性与临床相关性。
4.打通机制链条:从SHP2/MEK抑制→线粒体ROS上升→脂质过氧化积累→GPX4依赖→铁死亡,形成完整逻辑闭环。
03 研究思路
研究采用多层次模型系统,全面评估垂直RAS抑制后的代谢重塑:
1.体外筛选:使用人源与鼠源PDAC细胞系,评估SHP2/MEK抑制后的代谢依赖变化。
2.多组学分析:代谢组、蛋白质组、转录组联合分析,揭示通路改变。
3.耐药模型建立:长期处理诱导适应性耐药,观察代谢变化的持续性。
4.体内验证:使用KPC基因工程小鼠模型,通过MRI监测肿瘤体积,并分析肿瘤间质液代谢物。
5.患者来源类器官验证:11例PDAC类器官用于验证临床相关性。
6.机制深入:探究线粒体重塑与铁死亡敏感性的关系,并测试GPX4抑制剂的联合疗效
04 研究结果
▏第一阶段:发现核心代谢改变——线粒体成为关键靶点
前因:为探究SHP2/MEK抑制后的代谢依赖变化,研究首先在多种PDAC细胞系中进行了大规模代谢抑制剂筛选。
过程与发现:
增殖抑制:双抑制(SHP099 + Trametinib)比单药能更有效地抑制细胞增殖,且无亚型特异性(Fig1b)。
代谢脆弱性图谱:筛选发现,双抑制后,细胞对糖酵解抑制(2-DG)和自噬抑制(氯喹)的敏感性普遍增强。最显著的共同变化是细胞对线粒体呼吸抑制剂(如鱼藤酮、寡霉素)的敏感性显著增加(Fig1g)。
线粒体功能与形态改变:双抑制导致线粒体质量增加、活性氧(ROS)水平升高、线粒体备用呼吸能力增强(Fig1h, i, j)。电镜观察也证实了线粒体形态学的改变。
图1:药物抑制SHP2和/或MEK重编程PDAC细胞代谢
A:基于转录组数据,将人和小鼠PDAC细胞系划分为从基底样到经典型的一系列亚型谱系。
B:PDAC细胞系经DMSO、SHP099、曲美替尼或两者联用处理后的增殖情况。
C:(左图) 将代谢抑制剂与MAPK通路抑制联用的实验示意图。(右图) 增殖实验示例,显示在有/无代谢抑制剂存在下,不同MAPK治疗方案在约90%细胞汇合度时的增殖比较(伪彩色标示)。
D-G:在低、中、高浓度代谢抑制剂存在下,PDAC细胞在MAPK通路抑制条件下的相对增殖热图。
D:糖酵解抑制剂(2-DG)和戊糖磷酸途径抑制剂(6-AA)的作用。
E:自噬抑制剂(氯喹)的作用。
F:脂肪酸合成抑制剂(C75)和脂肪酸氧化抑制剂(依莫克西)的作用。
G:线粒体功能抑制剂(寡霉素、鱼藤酮)和PGC-1α抑制剂的作用。
H:通过流式细胞术测量的PDAC细胞线粒体质量。
I:通过流式细胞术测量的细胞内活性氧(ROS)水平,叔丁基过氧化氢(TBHP)作为阳性对照。
J:通过海马能量代谢分析仪测得的PDAC细胞(上) 线粒体备用呼吸能力和(下) 糖酵解储备能力。
小结:垂直RAS抑制并未简单“关闭”细胞,而是驱动了主动的线粒体重塑和氧化应激。
▏第二阶段:多组学验证与体内证实
前因:需要从分子层面确认上述功能变化,并验证其在真实肿瘤环境中的存在。
过程与发现:
代谢组学:细胞培养上清和肿瘤间质液分析显示,双抑制后氨基酸(如半胱氨酸、甲硫氨酸)和谷胱甘肽代谢相关产物水平显著改变,提示氧化还原稳态被打破(Fig2a-c, Fig3b)。
转录组/蛋白组学:基因集富集分析证实,脂质代谢、ROS反应通路被显著扰动(Fig2d)。
图2:药物抑制SHP2和/或MEK重塑细胞内外的代谢物谱
A:PDAC细胞系经不同药物处理72小时后,细胞外代谢物的主成分分析(PCA)。
B:汇总的PCA贡献因子,展示各代谢通路变量对主成分的影响。下方为治疗不同时间点后,各代谢通路在前两个主成分上的载荷。
C:与DMSO对照相比,经SHP099、曲美替尼或两者联用处理的细胞,其细胞内(左)和细胞外(右)代谢物水平变化的热图。
D:基于KEGG通路的基因集富集分析(GSEA)热图,展示人源和小鼠PDAC细胞经DMSO或SHP099/曲美替尼联合处理48小时后,各代谢相关基因集的显著上/下调情况。
体内模型:在KPC转基因小鼠模型中,双抑制同样导致肿瘤细胞线粒体体积增大、嵴结构更致密(Fig3d, e),并重现了与体外相似的代谢物变化。
图3:双SHP2与MEK抑制在体内引起线粒体适应
A:用于采集肿瘤间质液(TIF)的KPC小鼠的肿瘤生长动态。
B:通过LC-MS/MS分析,相对于溶剂对照,靶向治疗组KPC肿瘤TIF中按代谢通路归类的代谢物丰度变化。
C:用于电子显微镜分析的KPC小鼠的肿瘤生长动态。
D:(左图) 不同治疗组中PDAC肿瘤细胞的线粒体直径。(右图) 按短期(≤2周)和长期(>2周)治疗时长分开的相同数据。
E:靶向治疗下KPC-PDAC肿瘤细胞中代表性的线粒体形态电镜图。
F:用于全组织RNA测序的KPC小鼠的肿瘤生长动态。
G:治疗后KPC肿瘤转录组的PCA分析。
H:KPC肿瘤RNA测序数据的计算机反卷积分析,估计不同细胞类型的比例。
I:基于KEGG通路的GSEA热图,展示KPC肿瘤转录组相对于溶剂对照,各代谢相关基因集的显著上/下调情况。
小结:多组学数据及体内实验一致证实,双抑制在分子和细胞器水平引发了持续的线粒体代谢与氧化还原压力。
小结:多组学数据及体内实验一致证实,双抑制在分子和细胞器水平引发了持续的线粒体代谢与氧化还原压力。
▏第三阶段:机制关联——将线粒体应激转化为治疗弱点
前因:持续的氧化应激通常会导致脂质过氧化,而清除脂质过氧化物是防止铁死亡的关键。研究假设,此时细胞可能极度依赖抗氧化酶GPX4。
过程与发现:
脂质过氧化增强:双抑制处理后,检测到细胞脂质过氧化标志物(如MDA)显著增加(Fig5a)。
GPX4依赖性暴露:在双抑制基础上,加入GPX4抑制剂(ML210)会协同引发强烈的脂质过氧化,显著降低细胞活力(Fig5b, d)。这种效应在对双抑制已耐药的细胞中依然存在。
通用性验证:使用直接RAS抑制剂(RMC-7977)替代双抑制方案,同样能复制出对GPX4抑制的高度敏感性(Fig5c),证明这是RAS通路被深度抑制后的共性脆弱点。
图5:RAS通路抑制引发脂质过氧化物酶依赖性
A:(左图) MDA染色的代表性图像。(右图) 不同治疗组KPC肿瘤中MDA水平的定量分析。
B:多个PDAC细胞系中相对脂质过氧化水平(C11-BODIPY荧光)的热图。
C:在RAS抑制背景下,通过C11-BODIPY荧光检测脂质过氧化。(左图) 添加泛RAS抑制剂RMC-7977的效果。(右图) 在RMC-7977或MRTX1133耐药细胞中的脂质过氧化。
D:在不同治疗条件下,多个PDAC细胞系中GPX4抑制剂ML210的半数抑制浓度(IC₅₀)测定。
E:DMSO或RMC-4550+曲美替尼处理的人源和小鼠PDAC细胞系中,在有/无线粒体ROS清除剂MitoTEMPO存在下,ML210的IC₅₀差值。
F:通过单样本GSEA,将人源PDAC类器官转录组分类为基底样或经典型亚型。
G:PDAC类器官样本中糖酵解和生脂基因表达强度的行标度热图。
H:经SHP099+曲美替尼或RMC-7977处理,有/无ML210的类器官相对增殖情况。
I:ML210与相应MAPK通路靶向疗法联用,在不同亚型类器官中增强的增殖抑制效应。
小结:垂直RAS抑制创造了一个“火药桶”状态(高脂质过氧化),而GPX4是维持其不爆炸的关键“安全阀”。抑制GPX4将点燃火药桶,诱发铁死亡。
▏第四阶段:临床前转化验证
前因:需在更接近临床的模型中验证上述联合策略的潜力。
过程与发现:
患者类器官模型:在11例涵盖不同亚型的PDAC患者来源类器官中,SHP2/MEK抑制或直接RAS抑制,均能显著增强GPX4抑制剂的抗增殖效果(Fig5h, i),证实了临床相关性。
体内联合治疗:在KPC小鼠中,在双抑制基础上,联用天然铁死亡诱导剂Withaferin A,能进一步显著延缓肿瘤进展(Fig6c, d)。肿瘤组织内MDA染色进一步加深,证实铁死亡被激活。
图6:联合抑制SHP2/MEK/GPX4在体内延缓肿瘤进展
A:三联疗法(SHP099 + 曲美替尼 ± Withaferin A)及对照组的治疗试验示意图。
B:治疗开始前,初始胰腺体积(相对于体重)的比较。
C:随时间推移,个体肿瘤体积相对于基线体积的变化。
D:(左图) 随时间推移,肿瘤体积/体重比的动态变化。(右图) 各时间点胰腺体积相对于相应基线体积的比值。
E:治疗组间终点胰腺重量(相对于体重)的比较。
F:比较各治疗组生存率的Kaplan–Meier曲线。
小结:联合靶向RAS通路和GPX4/铁死亡,在临床前模型中被证明是一种有效的治疗策略。
05 研究总结与展望
本研究揭示,胰腺癌中 SHP2与MEK的“垂直抑制”在强效阻断RAS-MAPK信号的同时,会驱动肿瘤细胞发生深刻的线粒体重塑与氧化应激,从而意外地使其依赖于GPX4来对抗脂质过氧化和铁死亡。这一机制在细胞系、基因工程小鼠模型及患者来源类器官中均得到验证,且不受分子亚型限制。研究据此提出了 “SHP2/MEK抑制剂联合铁死亡诱导剂” 这一克服耐药的新治疗范式。
未来展望:研究为临床转化提供了明确方向:1)需开发更具选择性、药代动力学更优的铁死亡诱导剂,以提升联合治疗的窗口与疗效;2)应探索该代谢脆弱性是否可作为预测免疫治疗响应的生物标志物,因铁死亡与抗肿瘤免疫存在密切交互;3)需在更接近人体生理的模型(如人源化小鼠)中验证联合方案的长期疗效与安全性,并明确其与肿瘤微环境的相互作用。本研究开辟了通过“代谢干预”增强靶向治疗的新路径,为攻克RAS突变型胰腺癌这一顽疾带来了新的希望。
参考文献
Hafner, P., Keller, S. J., Chen, X., Alrawashdeh, A., Jumaa, H., Nollmann, F. I., Besson, S., Kemming, J., Gorka, O., Das, T., Appiah, B., Lehmann, A., Li, M., Apostolova, P., Bengsch, B., Zeiser, R., Tholen, S., Schilling, O., Groß, O., … Ruess, D. A. (2026). Vertical RAS pathway inhibition in pancreatic cancer drives therapeutically exploitable mitochondrial alterations. Signal Transduction and Targeted Therapy, 11(1). https://doi.org/10.1038/s41392-025-02563-7
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编辑丨月亮
排版丨舟舟
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