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曲妥珠单抗是一个抗人表皮生长因子受体(Human Epidermal Growth Factor receptor;HER2)的单克隆抗体药,已被欧盟及美国食品药品管理局(FDA)先后批准用于治疗HER2阳性转移性乳腺癌和胃癌患者。然而,部分肿瘤患者在接受治疗时会出现原发性或者获得性耐药,从而使得曲妥珠单抗疗效甚微。因此,探索曲妥珠单抗耐药的具体机制以期寻求更好的用药策略是临床上亟待解决的重要问题。本次研究揭示了以信号转导与转录激活因子3(Signal transducer and activator of transcription 3;STAT3)为中心的正反馈环介导曲妥株单抗耐药的具体机制。我们课题组已经在前期成功建立了乳腺癌及胃癌曲妥珠单抗耐药细胞株,两种耐药细胞株在体外和体内实验中,均对曲妥珠单抗不敏感。进一步研究发现,STAT3在构建的耐药细胞株和PTEN缺失所致的原发性耐药模型中均呈现出高度活化的状态。用小干扰RNA(small interfering RNA)抑制STAT3基因表达后,耐药的肿瘤细胞重新恢复了对曲妥珠单抗的敏感性。我们同时发现长期暴露于曲妥珠单抗环境中可以使乳腺癌和胃癌敏感细胞株中的纤连蛋白(Fbronectin;FN)、表皮生长因子(Epidermal Growth Factor;EGF)和白介素6(Interleukin-6;IL-6)等分子的表达显著增加,这些分子作为STAT3的上游激活分子,进一步引起STAT3信号通路的超活化。此外,活化的STAT3信号也能反馈性地上调FN、EGF和IL6的转录及表达,从而形成一个正反馈环,增强和维持STAT3的磷酸化水平。我们发现相比于亲本细胞,在耐药细胞中黏蛋白1(mucin 1;MUC1)和黏蛋白4(mucin 4;MUC4表达上调,且其表达受STAT3的调节;进一步发现由FN、EGF和IL-6诱导的STAT3活化可上调其下游的靶基因MUC1和MUC4的转录和表达。MUC1和MUC4分别通过持续活化HER2信号和阻碍单抗与HER2结合,维持HER2下游信号的持续活化,从而导致对曲妥珠单抗耐药。在体外,通过基因水平或药物靶向抑制STAT3,可以打破以STAT3为中心的正反馈环,下调了MUC1和MUC4的表达,解除了对HER2活性的维持作用和与抗体结合的空间位阻,恢复了HER2单抗药物的结合,重新发挥有效的抗肿瘤效应。在乳腺癌和胃癌的耐药裸鼠移植瘤模型中,曲妥珠单抗和STAT3小分子抑制剂S3I-201的联合疗法也显著抑制了耐药细胞移植瘤的生长,显示出协同的抗肿瘤作用。综上所述,我们的研究揭示了STAT3信号的正反馈活化是介导曲妥珠单抗耐药的关键机制。在HER2阳性的乳腺癌和胃癌中,联合应用靶向HER2和STAT3的药物可以增强曲妥珠单抗或其他HER2靶向药的临床疗效。