近日，MSKCC、MIT和博德研究所三所頂級研究機構，聯合在著名期刊《癌細胞》上發表了一項重磅研究成果[1]。
他們在肺腺癌的發展過程中發現了一種從來沒有被報導過的癌細胞狀態——“高可塑性癌細胞狀態”（HPCS），這類癌細胞有些不同尋常，它看起來不像肺癌細胞，因為它表現出胚胎滋養層幹細胞、軟骨幹細胞，甚至腎臟細胞的特徵。
此外，它還可以形成多種其他不同類型的細胞，近乎腫瘤中所異質性癌細胞的鼻祖，但它又不是癌幹細胞，因為它在癌症發展的早期才出現，一直貫穿到腫瘤發展的晚期，而且它的分子特徵與癌幹細胞差異非常大。最重要的是，這種細胞與腫瘤的耐藥和患者的預後差密切相關。
“HPCS是我們在腫瘤中看到的異質性癌細胞的起點，”本研究通訊作者之一，MSKCC的癌症生物學家和遺傳學家Tuomas Tammela說[2]，“它就像一個由許多道路組成的繁忙十字路口，無論腫瘤想獲得哪種癌細胞，都必須經過HPCS這種細胞狀態。”
由於HPCS幾乎產生了腫瘤中出現的所有異質性癌細胞，因此它是克服腫瘤耐藥性的一個非常有潛力的治療靶標，阻止HPCS的形成，或者直接殺死HPCS，有可能避免耐藥性的出現，讓患者獲得更持久的療效。
博德研究所的Aviv Regev和MIT的Tyler Jacks是本研究的另外兩位通訊作者。
▲論文截圖
耐藥復發是治療癌症的一大難題。
因為腫瘤存在異質性[3]，所以促進腫瘤進展和耐藥的細胞狀態其實是一直存在於腫瘤中的，藥物只是選擇性殺死了不耐藥的癌細胞，而那些耐藥的癌細胞很多時候會捲土重來。
因此，了解腫瘤演化過程中腫瘤內異質性是如何產生和維持的，對於開發有效的抗癌藥物非常重要。遺憾的是，我們對於腫瘤是如何從單個細胞演化成惡性異質組織的過程仍然知之甚少，尤其是腫瘤形成的早期，腫瘤難發現，樣本難獲取。
實際上，對於腫瘤早期的發展過程研究，上面的難題依然存在。不過這支頂級研究團隊將突破口放在了單細胞RNA測序（scRNA-seq）和人類癌症的基因工程小鼠模型（GEMMs）這兩項技術上。
將上面兩項技術結合在一起，就可以研究腫瘤形成的全過程。
Tammela和他的同事們基於39只肺腺癌基因工程小鼠模型，在肺腺癌發展的8個不同階段取腫瘤組織做單細胞RNA測序，最終得到了3891個高質量、全長的單細胞轉錄組數據，涵蓋從正常肺細胞到完全形成肺腺癌的整個階段。
▲實驗流程
然後通過無監督的聚類分析[4]，根據表達譜，確定了12類不同表達模式的細胞類型，這個結果表明，隨著腫瘤的進展，細胞表型異質性不斷增加，尤其是採樣時間靠後的腫瘤組織樣本，異質性更強。
▲生長不同時間腫瘤的差異
那肺腺癌的這種強烈的異質性是哪裡來的呢？
根據之前的研究成果，肺腺癌中存在大量的染色體拷貝數變異（CNVs），而不是點突變[5]。那麼肺腺癌的瘤內異質性是不是染色體拷貝數變異導致的呢？
結果染色體拷貝數變異與細胞狀態多樣性之間關係不密切，那些有相同表達模式的細胞類型，染色體拷貝數變異不相同，而那些染色體拷貝數變異類似的癌細胞在轉錄組上差異巨大。
▲染色體變異與不同表達譜的關係
緊接著，研究人員探索了12類不同表達模式的細胞類型究竟有哪些細胞的特徵，結果還真是讓人吃驚。
首先，最早出現的是1和2號轉錄模式細胞，它們表現出正常II型肺泡細胞的特徵，這兩種類型的細胞貫穿於肺腺癌發展的整個過程之中；隨後是3和4號轉錄模式的細胞，雖然失去了一些II型肺泡細胞轉錄特性，但保留了肺上皮細胞的特徵。
另外，6-10和12號轉錄模式細胞，在腫瘤中佔比較高，它們具有腸和/或胃或胚胎肝上皮細胞的特徵；至於11號轉錄模式細胞與上皮細胞沒有相似之處，而是類似小鼠胚胎成纖維細胞的狀態。
最神奇的是5號轉錄模式細胞，它展現了截然不同的細胞類型的特徵，有胚胎滋養層幹細胞、軟骨細胞和腎小管上皮細胞的特徵，表明這類細胞有轉化成其他表型細胞的潛力。從整體上看，5號轉錄模式細胞存在於早期的腺瘤階段，以及肺腺癌階段。
▲ 5號轉錄模式細胞在腫瘤不同階段出現的情況
鑑於5號轉錄模式細胞出現的時間，轉錄特徵非常多樣，以及幾乎貫穿於肺腺癌形成的整個階段，而且這類細胞與其他轉錄模式細胞的連接最為豐富，研究人員認為5號轉錄模式細胞可能是肺腺癌行程中的一個關鍵過渡點，肺腺癌後期表現的異質性很可能就是由它引起。
基於以上的原因，研究人員將5號轉錄模式細胞的狀態稱為高可塑性細胞狀態（HPCS）。
▲ 5號轉錄模式細胞是個重要的節點
隨後的分析發現，定義HPCS細胞的那些基因之所以表達，是因為這些基因附近的染色質可及性更強，更容易被轉錄。而且，無論是在培養皿內，還是在小鼠體內，HPCS細胞都表現出極強的可塑性，增殖產生的細胞多樣性最高。
此外，HPCS細胞生長的更快，能長出的腫瘤更多。而且用鉑類化療藥物處理的話，HPCS細胞的耐藥性更強，這可能是由於HPCS細胞遇到化療藥物之後細胞週期得分最低，導致細胞增殖速度變慢，進而對化療藥物耐藥。
▲ HPCS的耐藥性
由於HPCS細胞表現的特徵有點兒像癌幹細胞，研究人員將HPCS細胞與之前發表的1197個癌幹細胞和正常組織幹細胞做了對比，結果HPCS細胞在分子水平上與癌幹細胞差異巨大，幾乎沒有多少相似性。這也表明HPCS細胞是有別於癌幹細胞的一種新型癌細胞。
在研究的最後，研究人員研究了HPCS細胞與人肺腺癌之間的關係。
首先分析了20個肺腺癌患者的腫瘤細胞，在所有腫瘤中均發現了HPCS細胞。無論是肺腺癌，還是在其他癌症類型中，HPCS細胞的出現都與患者的生存期更差相關。
▲ HPCS與癌症患者預後的關係
基於以上數據，研究人員認為人類肺腺癌等腫瘤中也存在類似HPCS的細胞，而且這個細胞狀態有可能在臨床上作為腫瘤進展和耐藥性生物標誌物。
除此之外，針對HPCS細胞開發靶向藥物，有望避免腫瘤出現耐藥性，讓患者獲得更持久的治療益處。
參考文獻：
[1].https://www.cell.com/cancer-cell/fulltext/S1535-6108(20)30316-0
[2].https://www.mskcc.org/news/never-seen-cell-state-may-explain-cancer-s-ability-resist-drugs
[3].Lawson DA, Kessenbrock K, Davis RT, et al. Tumour heterogeneity and metastasis at single-cell resolution[J]. Nature Cell Biology, 2018, 20(12): 1349-1360.
[4].Shekhar K, Lapan SW, Whitney IE, et al. Comprehensive Classification of Retinal Bipolar Neurons by Single-Cell Transcriptomics[J]. Cell, 2016, 166(5): 1308-1323.
[5].Chung W, Daemen A, Cheng JH, et al. Kras mutant genetically engineered mouse models of human cancers are genomically heterogeneous[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2017, 114( 51).
