▎药明康德内容团队编辑
本周，顶尖学术期刊《自然》及旗下《自然-医学》《自然-癌症》《自然-方法》等一系列子刊联手带来一项重磅专题：人类肿瘤图谱网络计划（HTAN）的最近进展。这一计划从2018年启动，旨在为肿瘤及其周边环境构建单细胞分辨率的三维图谱，从而解析肿瘤产生、转移和耐药等生物学过程。
过去在传统的癌症研究中，人们通常关注癌细胞本身如何突变、增殖等，然而近十年的癌症研究越来越清晰地表明，肿瘤局部环境中的免疫细胞、基质细胞等非癌细胞与癌细胞的相互作用对于肿瘤的发生发展以及治疗效果有重要影响。
此次一共上线了12篇论文，来自美国、英国、中国等多家研究机构的科学家们借助新技术绘制肿瘤演变中细胞、结构和分子特征的3D图谱，带来了有关乳腺癌、结直肠癌、胰腺导管腺癌、肾细胞癌、子宫内膜癌和胆管癌等六大癌症的详细数据，提出了多项新发现。
美国圣路易斯华盛顿大学的丁莉教授是旗舰论文的共同通讯作者，正如她在新闻稿中所指出的：“这些工作开启了癌症研究的新时代，有可能改变我们未来理解和治疗癌症的方式。”
看清肿瘤的内部空间
在此次专题的旗舰论文中，研究者结合空间转录组学（ST）、CODEX蛋白组学分析平台、批量测序、单核RNA测序等前沿技术，剖析了6种不同癌症的131个肿瘤ST切片，并通过重建三维肿瘤结构深入了解肿瘤的空间异质性。
作者在论文中提出了“肿瘤微区”（tumor microregion）的定义，描述肿瘤的结构和所在环境。就像地图上由不同街道分隔开了不同的社区，每个微区是在空间上由基质成分隔开的不同癌细胞群。在不同类型的癌症中，微区的大小和密度不同，转移性样本中的微区最大。研究人员进一步将具有同样遗传改变的微区归为“空间亚克隆“（spatial subclone），拷贝数变异不同或是基因突变不同的空间亚克隆有不同的致癌活性。
▲研究示意图（图片来源：参考资料[1]）
3D细胞图谱显示，肿瘤的核心具有更高的代谢活动，而边缘的抗原呈递等免疫活动更多。此外，免疫T细胞在不同肿瘤中的浸润深度、不同免疫细胞类型的聚集位置存在很大差异，例如巨噬细胞主要停留在边缘。不仅如此，研究人员还确定了肿瘤内部有免疫细胞活性更高的“热区”和相反的“冷区”，这种现象或可解释为什么一些肿瘤起初对免疫疗法有反应，后来却会产生耐药性。综合3D图谱中的信息，研究人员指出，如果可以识别出各种突变谱以及冷热区域，未来或许可以设计出对肿瘤内所有区域都有效果的靶向治疗策略。
此外，在一些转移性肿瘤样本中，可以看到癌细胞突破了免疫细胞边界，进一步侵袭健康组织。研究作者分析，这或许是肿瘤内免疫细胞衰竭的直观体现，可以用来预测检查点抑制剂等免疫疗法是否奏效。
▲单细胞水平的肿瘤3D细胞图谱（视频来源：参考资料[10]；Credit：圣路易斯华盛顿大学）
专题还展示了研究者用于深入分析肿瘤三维图谱开发的新工具和新方法，有助于未来继续深入研究癌症。例如美国范德比尔特大学医学中心Ken Lau教授主导的研究团队，利用多用途单细胞CRISPR平台开发出一种分子钟方法，记录体内细胞事件和克隆性的时间，并纳入细胞状态和谱系信息，可以探索哺乳动物系统发育和肿瘤发生的起源和时间。
重新认识结直肠癌起源与演化
在该专题中，Lau教授主导的研究以及其他5篇研究论文为结直肠癌的起源与演化提供了新的见解，提出结直肠癌很可能起源于肠上皮的多个正常细胞，推翻了起源于结肠内壁单个上皮细胞的观点。
结直肠癌是全球第三常见的癌症类型，也是全球癌症死亡第二大原因。据世界卫生组织（WHO）数据，全球每年新增超过190万例结直肠癌患者，约半数患者会进展为晚期阶段，每年大约90万人因结直肠癌死亡。
为了实现对结直肠癌的早期筛查及干预，掌握肿瘤细胞的起源和初期演化动态至关重要。然而，肿瘤在癌前阶段往往会藏匿多年，这也向准确识别肿瘤起源提出了挑战。
在一篇《自然》论文中，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所胡政、中山大学生命科学学院贺雄雷和中山大学附属第六医院何真领衔的团队揭示了结直肠癌癌前病变的起源与演变。
在最新论文中，研究团队使用了基于单碱基突变的细胞谱系追踪系统SMALT（substitution mutation aided lineage tracing system）。 SMALT系统能以单细胞分辨率描述复杂生物胚胎发育过程中的细胞谱系，因此被用于系统性描绘小鼠模型中肠道癌前病变的起源和演化。
根据对单细胞系统发育的分析结果，研究团队发现：不同于单克隆起源的观点，每个病变内有都数十个独立的细胞谱系正在经历平行的克隆扩增。更多测序结果也显示，人类散发性结直肠息肉同样存在多克隆起源。
结合测序与临床数据，结直肠癌的癌前病变起源于多克隆扩增，随后经历了从多克隆到单克隆的转变，因此单克隆病变代表了更晚期的阶段。同时，研究还发现早期多克隆病变中存在广泛的细胞间相互作用，体现出早期阶段的细胞间合作，随后这样的相互作用在向单克隆转变的过程中逐渐丧失。
由此，这项研究揭示了结直肠癌癌前病变的多谱系起源以及后续转变，为早期干预结直肠癌提供了新思路。
在同期《自然》的另一项研究中，英国剑桥大学癌症研究所Douglas Winton教授领衔的团队同样发现大部分肠道肿瘤具有多谱系起源，并且揭示了多克隆性与肿瘤发生之间的关联。
抑癌基因APC的功能丧失突变是肠道肿瘤发生的起始步骤。APC突变型肠道干细胞可以在与其他肠道干细胞的竞争中获得优势，促进快速克隆扩增。
在揭示了大部分肠道肿瘤具有多克隆起源后，研究团队进一步发现，多克隆肿瘤具有携带了不同APC突变的亚克隆结构，这些不同之处是由KRAS和MYC信号通路的差异所驱动的。这些通路水平的变化伴随着癌症干细胞表型的巨大差异。
这些发现表明，依赖于克隆间致癌途径的激活差异，克隆间相互作用起到了促进肠道肿瘤发生的作用。
在另一篇《自然》论文中，纪念斯隆-凯特琳癌症中心的研究团队则是揭示了结直肠癌转移期间的可塑性。癌细胞重编程成为高度保守的胎儿祖细胞状态，然后经历非经典分化，转变为不同的鳞状细胞和神经内分泌样状态。这一过程在转移和化疗中加剧，并与患者的生存率差有关。研究还发现，PROX1抑制了胎儿状态下的非经典命运，而 PROX1 的下调允许实现非经典重编程。
值得一提的是，发表于《自然-癌症》的两项研究也为结直肠癌在早期阶段的进展提供了新视角。
家族性腺瘤性息肉病（FAP）是一种结直肠癌的早期癌前状态，其中一篇论文的作者通过对患者样本的多组学分析，揭示了在从癌前转变为癌症形成的过程中，关键基因、细胞和分子事件的动态变化，这些变化涉及了大量与细胞增殖、免疫反应、代谢改变等有关的过程。例如，研究发现花生四烯酸通路的激活发生在增生早期，而该通路正是一项在研FAP预防性疗法的作用靶点。因此，该研究也揭示了结直肠癌形成早期的药物预防潜在机制。而另一篇《自然-癌症》论文则揭示了DNA三维结构和早期结直肠癌进展过程中基因调控之间的复杂相互作用。
破解乳腺癌起源与转移的细节
乳腺癌是女性中最常见的癌症类型之一，相关统计数据显示，2022年全球新增的乳腺癌病例就已经超过了220万，而这一数字还在继续增加。目前，乳腺癌的治疗策略主要是根据乳腺癌的亚型来开展，其中以3个独特的生物标志物模式作为分类标准，包括雌激素受体、孕激素受体和人表皮生长因子2。
从起源上来说，乳腺癌细胞来源于乳腺导管上皮，但目前针对细胞起源相关转录分子进行的分类研究仍然进展缓慢。此次专题中，圣路易斯华盛顿大学的研究团队收集了37名乳腺癌患者的样本，并通过单细胞、单核多组学技术、空间转录组学和多重成像技术对61个组织样本进行了全面分析，展示了不同乳腺癌亚型、突变细胞起源之间的基因表达和染色体可及性的联系。
根据《自然-癌症》上的论文数据，一些转录因子在乳腺癌起源和发展中有着独特作用，比如BHLHE40在管腔乳腺癌和管腔成熟细胞中非常关键，KLF5则在基底样肿瘤和管腔祖细胞有重要作用。而根据分子表达谱，作者通过不同基因定义了不同谱系的乳腺癌，以SOX6和KCNQ3为代表的基底样谱系，以及以FAM155A和LRP1B为代表的管腔细胞谱系。而基底样乳腺癌中往往富集了CTLA-4耗竭的CD8+ T细胞，这也代表了该类乳腺癌特有的免疫障碍特征。
另一篇《自然-医学》论文关注了乳腺癌转移的分子特征。美国博德研究所等机构的研究者收集了60名转移性乳腺癌患者的肿瘤样本，并进行了单细胞或单核RNA测序以及空间表达分析。研究展示了转移性乳腺癌的细胞类型组成和基因表达的可变性，以及全新的空间表达特征。作者发现，基底样肿瘤样本中有一个具有高度排他性的细胞亚群，并表征了三种不同的上皮组织向间充质组织转化（EMT）的空间表型，EMT也是癌转移常见的程序之一。
另外，研究还评估了巨噬细胞群体的空间定位特征，他们鉴定出了两类独特的巨噬细胞亚型，各自参与了T细胞相关的免疫功能调节。这些结果也将为未来的乳腺癌临床发现提供更多细节信息，加速更多治疗性策略的诞生。
参考资料：
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[10] Complexity of tumors revealed in 3D. Retrieved Oct. 31, 2024 from https://medicine.washu.edu/?p=127633
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