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靶向治疗诱导的肺癌进化：单细胞转录组分析

2020-08-28 15:41

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创李虹 CellPress细胞科学来自专辑Cell Press青促会述评

生命科学

Life science

作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

第二十期专栏文章，由中国科学院上海营养与健康研究所研究员、中国科学院青年创新促进会会员李虹，就Cell中的论文发表述评。

肺癌是全球死亡率最高的恶性肿瘤，远端转移是导致肺癌死亡的主要原因。以往的研究关注基因组变异对肺癌发生和发展的影响，发现了EGFR, ALK, ROS1和BRAF等高频变异的癌基因，为靶向治疗提供了可能，延长了部分患者的生存时间。然而靶向治疗可能伴随着皮疹、腹泻、出血、肝损伤等副作用，并且患者常常由于获得性耐药而复发。为了改善靶向治疗的疗效，急需了解治疗后肿瘤和微环境的进化过程和异质性。

单细胞转录组测序是研究复杂生物系统异质性的有效方法。2018年Bernard Thienpont带领的研究团队通过对正常与癌变样本近10万个单细胞的研究，创建了第一个完整的肺癌细胞图谱，包括52个不同亚类的基质细胞，说明了肺癌微环境远比我们想象的复杂（Lambrechts, D, 2018）。由于获得高质量的晚期肺癌的样本非常困难，对晚期肺癌的单细胞研究还很少。2020年5月Hae-Ock Lee和Myung-Ju Ahn的团队对44个肺癌病人原发灶、胸膜液、淋巴结或脑转移的肿瘤样本进行单细胞测序，发现了一种与肺癌转移密切相关的癌细胞亚型，基质细胞和免疫细胞创造了促肿瘤和免疫抑制的微环境，增强了我们对转移性肺癌分子和细胞动力学的理解（Kim, N，2020）。

Cell（《细胞》）8月20日上线了来自加州大学的Trever G. Bivona、Collin M. Blakely和Chan Zuckerberg Biohub研究中心的Spyros Darmanis团队合作发表的题为"Therapy-Induced Evolution of Human Lung Cancer Revealed by Single-Cell RNA Sequencing"的文章。通过对转移性肺癌患者靶向治疗前后的单细胞测序研究，揭示了癌细胞的分子多样性、治疗诱导的免疫微环境可塑性，该研究结果有助于改善肺癌治疗的临床疗效。

作者收集了来自30位患者的组织样本。经质控保留下来的样本包含15个未接受靶向治疗的样本（TN）、14个对靶向治疗有响应的样本（RD）以及20个获得性耐药的样本（PD）。总共采集到23261个单细胞（图1）。

▲图1 样本采集以及实验整体设计思路

分析样本中携带的基因突变发现，单细胞测序数据可以鉴定到新的突变（图2）。例如，在经过多线治疗的样本LTS47中，新鉴定到KRAS基因上发生G13D以及G12C的突变。而先前经bulk DNA测序发现该患者携带的EML4-ALK的基因重组变异并没有出现在这些KRAS突变的细胞中。值得注意的，肿瘤驱动突变的丢失是一种可能的耐药机制(Lovly et al., 2017; Xu et al., 2018a)。这或许可用于解析LTS47样本上突变变化。

▲图2 单细胞RNA测序数据鉴定出新的突变位点

在转录组上，RD样本较TN样本上调了参与细胞损伤修复过程的基因，包括二型肺泡（alveolar type 2， AT2）相关基因以及WNT/β-catenin信号通路关键蛋白（CTNNB1）和下游靶标（SUSD2）。AT2细胞参与肺部损伤修复(Wang et al., 2018)，而WNT/β-catenin信号通路是调控该过程的关键信号通路 (Huch et al., 2013; Tammela et al.,2017)。TCGA的肺腺癌患者的数据显示高表达肺泡基因信号的患者有更好的生存。另外，通过早期联合用药同时抑制WNT/β-catenin信号通路以及EGFR（或ALK）能提高药物响应的程度。

PD较TN显著上调参与kynurenine通路的基因。TCGA的肺腺癌数据显示高表达kynurenine通路的患者生存较差。PD较RD高表达了浸润（invasion）、细胞间交流以及免疫调控相关的基因，其中包括参与血纤维蛋白溶酶原通路的基因（ANXA2, PLAT, PLAUR, PLAU和SERPINE1）。而高表达该信号通路基因的TCGA肺腺癌患者有较差的生存（图3）。另外，通过对比来自同一个患者的TN-RD-PD三配对样本。作者发现PD中高表达鳞状细胞分化相关的基因（KRT16, KRT14, KRT6A, KRT5等），说明PD样本表现出部分鳞癌特征。组织病理学上由肺腺癌向鳞癌的转化也是一种可能的耐药机制。

▲图3 RD以及PD样本的单细胞表达谱特征

最后作者系统地研究了肿瘤浸润的免疫细胞。在8种鉴定到的免疫细胞中，T细胞及macrophage是浸润丰度最高的两类细胞。有意思的是，作者发现T细胞在RD样本中比例升高（27% TN, 46% RD, 31% PD），而macrophage则是在RD中比例降低（37% TN, 21% RD, 37% PD）。另外，它们在RD及PD中浸润的细胞亚型有很大不同。RD中浸润着较多的细胞毒性的T细胞，而PD主要浸润的是 IDO1阳性的macrophage以及免疫抑制作用的T细胞（如：Treg细胞）（图4）。

▲图4 不同阶段样本中肿瘤免疫浸润情况

总结全文，作者利用单细胞测序技术系统地研究了靶向治疗前（TN），药物响应（RD）以及获得性耐药（PD）三个不同阶段的非小细胞肺癌样本，解析了不同阶段肿瘤细胞的特征以及肿瘤浸润免疫细胞的组成。这对我们理解转移性NSCLC的肿瘤微环境组成以及它们在耐药构成中的复杂变化提供了新的认知（图五）。同时，基于这些特征，作者提供了新的用药思路，如：早期联合抑制EGFR（或ALK）和WNT/β-catenin信号通路等，这对临床用药有极大的提示意义。

▲图5 不同状态下非小细胞肺癌的肿瘤生态系统

本文参考文献

1.Lambrechts, D., Wauters, E., Boeckx, B. et al. Phenotype molding of stromal cells in the lung tumor microenvironment. Nat Med 24, 1277–1289 (2018).

Kim, N., Kim, H.K., Lee, K. et al. Single-cell RNA sequencing demonstrates the molecular and cellular reprogramming of metastatic lung adenocarcinoma. Nat Commun 11, 2285 (2020).

2.Lovly, C.M., Iyengar, P., and Gainor, J.F. Managing Resistance to EFGR- and ALK-Targeted Therapies. Am. Soc. Clin. Oncol. Educ. Book 37, 607–618 (2017).

Xu, J., Zhao, X., He, D. et al. Loss of EGFR confers acquired resistance to AZD9291 in an EGFR-mutant non-small cell lung cancer cell line with an epithelial-mesenchymal transition phenotype. J. Cancer Res. Clin. Oncol. 144, 1413–1422 (2018a).

3.Huch, M., Bonfanti, P., Boj, S.F. et al. Unlimited in vitro expansion of adult bi-potent pancreas progenitors through the Lgr5/Rspondin axis. EMBO J. 32, 2708–2721 (2013).

4.Tammela, T., Sanchez-Rivera, F.J., Cetinbas, N.M. et al. A Wntproducing niche drives proliferative potential and progression in lung adenocarcinoma. Nature 545, 355–359 (2017).

5.Wang, Y., Tang, Z., Huang, H. et al. Pulmonary alveolar type I cell population consists of two distinct subtypes that differ in cell fate. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115, 2407–2412 (2018).

论文摘要

肺癌是导致癌症死亡的主要原因，肺癌的异质性使癌细胞有适应能力，降低了治疗成功率，而对这背后的机制仍不完全清楚。本文对30个转移性肺癌病人治疗前和靶向治疗过程中的49个样本进行单细胞转录组测序，获得了2万多个癌症和肿瘤微环境的单细胞图谱，呈现了丰富和动态的肿瘤生态系统。癌细胞的单细胞测序发现了常规临床检测未探测到的可靶向的癌基因。靶向治疗后残留的癌细胞（RD）表达肺泡再生信号，可能是治疗引起的细胞状态转变；治疗中进展的癌细胞（PD）则上调犬尿氨酸、纤溶酶原和缝隙连接通路。RD中T淋巴细胞激活、巨噬细胞减少；而PD则处于免疫抑制状态。这项研究阐明了转移性肺癌治疗诱导的多细胞生态系统的适应性对临床疗效的影响。

Lung cancer, the leading cause of cancer mortality, exhibits heterogeneity that enables adaptability, limits therapeutic success, and remains incompletely understood. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of metastatic lung cancer was performed using 49 clinical biopsies obtained from 30 patients before and during targeted therapy. Over 20,000 cancer and tumor microenvironment (TME) single-cell profiles exposed a rich and dynamic tumor ecosystem. scRNA-seq of cancer cells illuminated targetable oncogenes beyond those detected clinically. Cancer cells surviving therapy as residual disease (RD) expressed an alveolar-regenerative cell signature suggesting a therapy-induced primitive cell-state transition, whereas those present at ontherapy progressive disease (PD) upregulated kynurenine, plasminogen, and gap-junction pathways. Active T-lymphocytes and decreased macrophages were present at RD and immunosuppressive cell states characterized PD. Biological features revealed by scRNA-seq were biomarkers of clinical outcomes in independent cohorts. This study highlights how therapy-induced adaptation of the multi-cellular ecosystem of metastatic cancer shapes clinical outcomes.

中文内容仅供参考，请以英文原文为准

述评人简介

李虹

中国科学院青促会会员

中国科学院上海营养与健康研究所研究员

李虹，博士，中国科学院上海营养与健康研究所研究员，2018年入选中国科学院青年创新促进会会员，主要从事肿瘤系统生物学和组学大数据整合研究。在Cancer Cell, Cell Stem Cell, Genome Medicine, Nucleic Acids Research, PloS Genetics 等期刊发表研究论文50余篇，论文被引用2,000余次。获得上海市杨帆计划、中国科学院优秀青年人才项目、中国自然科学基金青年项目和面上项目资助。

Hong Li is a professor in Shanghai Institute of Nutrition and Health, Chinese Academy of Sciences (CAS). She was selected as a member (2018) of Youth Innovation Promotion Association of CAS. Her research mainly focuses on cancer system biology and the integrative studies of omics big data. She published more than 50 research articles in SCI journals, including Cancer Cell, Cell Stem Cell, Genome Medicine, Nucleic Acids Research and PloS Genetics, which were cited over 2,000 times. She received foundation support from Knowledge Innovation Program of CAS, Science and Technology Commission of Shanghai Municipality, and National Natural Science Foundation of China.