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AKR1C1与STAT3相互作用通过增加细胞内谷胱甘肽水平导致结直肠癌对奥沙利铂耐药的研究

第一作者及机构
本研究由Zhiwen Fu、Tingting Wu、Chen Gao等共同完成，通讯作者为Chen Shi（邮箱：whxhchen@163.com）。研究团队来自华中科技大学同济医学院附属协和医院药学部（Department of Pharmacy, Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology）和湖北省重症精准医学临床研究中心（Hubei Province Clinical Research Center for Precision Medicine for Critical Illness）。研究成果发表于2024年7月的《Acta Pharmaceutica Sinica B》（APSB），期刊由Elsevier出版，隶属于中国药学会和中国医学科学院药物研究所。

学术背景
奥沙利铂（Oxaliplatin, Oxa）是晚期结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）一线化疗方案的核心药物，但耐药性的出现导致治疗失败和肿瘤复发，成为临床重大挑战。既往研究表明，醛酮还原酶家族成员AKR1C1在多种癌症中通过调控氧化应激和代谢途径促进耐药性，但其在CRC奥沙利铂耐药中的具体机制尚未明确。本研究旨在揭示AKR1C1通过STAT3-EAAT3-谷胱甘肽（Glutathione, GSH）轴介导奥沙利铂耐药的分子机制，并探索天然产物Alantolactone（ALA）逆转耐药的潜力。

研究流程与方法
1. 耐药细胞系构建与表型验证
- 通过逐步剂量递增法构建奥沙利铂耐药的HCT116细胞系（HCT116/Oxa-R），并通过CCK-8实验证实其耐药性（耐药指数RI=7.8）。
- 克隆形成实验显示，Oxa-R细胞在25 μmol/L奥沙利铂处理下形成的克隆数显著多于亲本细胞（P<0.001）。

1. 转录组学与靶标筛选

   • 对亲本和Oxa-R细胞进行RNA测序（RNA-seq），发现1487个差异表达基因（上调1072个，下调415个），其中AKR1C1在Oxa-R细胞中表达最高（FPKM值>2倍）。
     
   • KEGG通路分析显示，类固醇生物合成通路（尤其是AKR1C1、AKR1B1、AKR1C3）显著富集。
     

2. AKR1C1功能验证

   • 过表达实验：在HCT116和HT-29细胞中过表达AKR1C1，通过Western blot和qPCR验证后，发现其显著增强细胞对奥沙利铂的耐药性（IC50升高，克隆形成能力增强）。
     
   • 敲低实验：使用siRNA沉默AKR1C1后，耐药细胞的奥沙利铂敏感性恢复（P<0.001），且体内小鼠移植瘤模型显示肿瘤生长抑制。
     

3. 机制解析

   • GSH/GSSG检测：Oxa-R细胞中还原型谷胱甘肽（GSH）和氧化型谷胱甘肽（GSSG）水平显著升高（P<0.001），GSH/GSSG比值增加，活性氧（ROS）水平降低。
     
   • STAT3-EAAT3通路：
     
     • 免疫共沉淀（Co-IP）证实AKR1C1与STAT3直接结合，促进STAT3磷酸化（Tyr705）及核转位。
       
     • STAT3激活上调兴奋性氨基酸转运体EAAT3表达，促进胱氨酸摄取和GSH合成。敲低EAAT3或STAT3均能逆转GSH升高和耐药表型。
       

4. 药理学干预

   • 天然产物ALA被鉴定为AKR1C1抑制剂，通过分子对接验证其结合活性。
     
   • 联合奥沙利铂处理Oxa-R细胞，ALA（10 μmol/L）显著增强奥沙利铂的细胞毒性（协同指数>10），并诱导凋亡（Cleaved PARP和Caspase-3表达增加）。
     
   • 体内实验显示，ALA（15 mg/kg）与奥沙利铂联用使小鼠移植瘤体积减少57.8%（P<0.05），且无体重下降。
     

主要结果与逻辑关系
1. AKR1C1过表达驱动耐药：RNA-seq和功能实验证实AKR1C1是Oxa-R细胞的关键标志物，其过表达通过STAT3激活EAAT3，增加GSH合成，中和奥沙利铂诱导的ROS毒性。
2. GSH代谢的核心作用：耐药细胞依赖GSH维持氧化还原平衡，而胱氨酸剥夺或AKR1C1抑制可恢复奥沙利铂敏感性。
3. ALA的协同效应：ALA通过靶向AKR1C1-STAT3-EAAT3轴，降低GSH水平并增加ROS积累，逆转耐药性。

结论与价值
1. 科学意义：首次阐明AKR1C1-STAT3-EAAT3-GSH通路在奥沙利铂耐药中的作用，为CRC耐药机制提供了新视角。
2. 临床转化：ALA作为AKR1C1抑制剂，与奥沙利铂联用可克服耐药性，具有明确的转化潜力。
3. 技术亮点：
- 结合RNA-seq、分子对接和体内外功能验证，多维度解析耐药机制。
- 开发基于SicoDEA软件的药物协同效应分析流程，优化联合治疗方案。

研究亮点
1. 创新发现：AKR1C1与STAT3的相互作用是CRC耐药的新机制。
2. 方法学贡献：建立Oxa-R细胞模型并整合多组学数据，为类似研究提供范式。
3. 治疗策略：提出“AKR1C1抑制+奥沙利铂”的联合疗法，已通过临床前模型验证。

其他价值
研究数据已上传至GEO（GSE235026），为领域内共享资源。此外，AKR1C1的高表达与CRC患者不良预后相关（Kaplan-Meier分析，P=0.022），提示其可作为预后生物标志物。