Nat Comm | 单细胞克隆跟踪解码癌症异质性
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单个癌症患者体内的单个肿瘤细胞表现出与生长、转移和化疗反应相关的不同行为。为了实现这些行为，每个癌细胞都使用其基因以一种称为“基因表达特征”的独特方式制造所需的分子。
为了将基因表达特征与癌症进展和化疗耐药性联系起来，由来自南加州大学的Rong Lu博士和来自Cedars-Sinai的Akil A. Merchant医学博士领导的一组科学家在一项研究中引入了一种新的基因技术（“Deciphering intratumoral heterogeneity using integrated clonal tracking and single-cell transcriptome analyses”），发表在《Nature Communications》上。
“细胞异质性是癌症治疗耐药的主要原因。尽管最近在单细胞基因组和转录组测序方面取得了进展，但仍然很难将测量的分子图谱与癌症的细胞活性联系起来。在这里，我们提出了一个综合实验系统，将单细胞基因表达与异质性癌细胞的生长、转移和治疗反应联系起来。”研究人员写道。
“我们的系统将单细胞转录组分析与患者来源的异种移植模型中基于DNA条形码的克隆追踪相结合。我们表明，在多只小鼠中表现出独特基因表达的白血病细胞以不同但一致的方式对不同的化疗做出反应。此外，我们还发现了一种在空间上局限于单个解剖部位的骨髓并由具有不同基因表达的细胞驱动的白血病扩张形式。”
“我们的综合实验系统可以研究疾病进展和治疗耐药性背后的肿瘤内异质性的分子和细胞基础。”研究人员说。
为了开发该实验系统，来自南加州大学的第一作者Humberto Contreras Trujillo博士和他的同事结合了两种现有技术。第一种使研究人员能够读取白血病患者单个癌细胞的基因表达特征。由Lu实验室开发的第二项技术使科学家们能够用可遗传的、基于DNA的“条形码”标记单个白血病细胞，从而提供了一种在疾病进展过程中不仅跟踪细胞而且跟踪其后代的方法。
利用这个实验系统，研究小组分析了一个具有代表性的条形码白血病细胞样本的基因表达特征，然后将剩余的细胞移植到小鼠体内。
不同的基因表达特征与小鼠体内癌细胞生长的不同器官相关。例如，高表达CMC2基因的癌细胞倾向于在卵巢定植，而低表达CMC2的细胞则在血液和脾脏中建立了集落。
其他具有BTK、DNAJC和LRIF1基因高表达的癌细胞倾向于在离散的骨髓囊中产生后代。当科学家使这些基因失活时，白血病细胞会加速迁移，失去与骨髓中其他细胞粘附的能力。
“在我们的研究中，我们能够识别出以前未知的与疾病进展和化疗耐药有关的基因。这些基因可能为未来的治疗提供新的靶点。”Lu说。他是南加州大学干细胞生物学和再生医学、生物医学工程、医学和老年学的 Richard N. Merkin 助理教授，也是白血病和淋巴瘤协会的学者。
通过证明具有不同基因表达特征的癌细胞倾向于在不同的器官和骨髓袋中生长，该研究还强调了癌症研究人员面临的一个主要问题：研究患者细胞的非代表性样本。例如，如果医生通过标准抽血采集患者细胞，样本将不包括局限于骨髓袋的非循环白血病细胞。
更令人担忧的是，由于这些癌细胞袋分布不均匀，标准的骨髓活检可能无法准确诊断患者的疾病。
当将患者细胞移植到实验室小鼠中以进行临床前癌症研究时，也面临类似的挑战。不到1%的患者细胞在小鼠体内生长和繁殖。
如果从一只小鼠身上收集患者细胞，然后移植到另一只小鼠身上，这些问题就更加复杂了。这种做法被称为连续移植，是一种标准技术，允许将患者细胞的小样本扩展到研究所需的更大数量。然而，这项新研究表明，连续移植也有利于具有特定基因表达特征的癌细胞的存活。
此外，与任何治疗前来自同一患者的细胞相比，复发患者的细胞在移植到小鼠体内时似乎存活率较低。在大多数情况下，来自复发期的一两个白血病细胞的后代在移植小鼠中占优势。
“我们的新系统在白血病模型中存在明显的局限性，这些模型目前用于在潜在的治疗方法进入人体临床试验之前进行最后阶段的测试。”Cedars-Sinai的内科学家Merchant说，“这些白血病模型无法捕捉单个患者体内单个肿瘤细胞的全部多样性，更不用说受该疾病影响的更广泛人群了。”
研究人员还让他们的小鼠接受不同的标准白血病治疗方案：短期强化化疗，然后是长期维持治疗。白血病细胞中有不同的基因表达特征，这些细胞最终因强化治疗而死亡，因维持治疗而停止生长，或仅对两者的结合有反应。因此，在实际临床实践中，联合治疗已被证明是对患者最好的整体治疗方法。
“通过使用我们的实验系统，我们学到了很多关于单个白血病细胞的基因表达如何影响其进展和治疗耐药性的知识。”Lu说，“同一系统可以提供关于许多其他类型癌症的类似见解，并有助于识别和描述导致疾病和治疗耐药性的特定细胞。”