【科技前沿】王红阳/陈磊/高栋通过单细胞测序技术揭示肝胆肿瘤异质性

来源：中国生物物理学会

广泛的遗传和表型变异不仅存在于不同患者的肿瘤之间（肿瘤间异质性），而且还存在于单个肿瘤内部（肿瘤内异质性）。肿瘤异质性导致癌症信号通路的多样性并驱动表型变异，这对个性化癌症医学提出了重大挑战。肝胆肿瘤的分子异质性（包括肿瘤间和肿瘤内差异）总是导致耐药性。

2021年3月23日，海军军医大学王红阳，陈磊及中国科学院分子细胞科学卓越创新中心高栋共同通讯在Advanced Science（IF=16） 在线发表题为”Single‐Cell Transcriptome Analysis Uncovers Intratumoral Heterogeneity and Underlying Mechanisms for Drug Resistance in Hepatobiliary Tumor Organoids“的研究论文，该研究产生了七种肝胆肿瘤类器官，以通过单细胞RNA测序探索异质性和进化。该研究发现具有上皮-间质转化状态的HCC272被证明具有广谱耐药性。通过检查癌症干细胞标记（例如PROM1，CD44和EPCAM）的表达模式，发现CD44阳性群体可能在HCC272中产生耐药性。UMAP和伪时间分析确定了肿瘤内异质性和独特的进化轨迹，其中CTNNB1，甘油醛3-磷酸脱氢酶（GAPDH）和NEAT1优势表达簇是常见的跨肝胆类器官。CellphoneDB分析进一步暗示具有低氧信号富集的代谢优势类器官可上调CD44亚组中NEAT1的表达并介导依赖Jak-STAT途径的耐药性。此外，在多个类器官中共享的代谢优势簇具有相似的特征基因（GAPDH，NDRG1，ALDOA和CA9）。 GAPDH和NDRG1的组合是一个独立的危险因素，也是患者生存的预测指标。

总而言之，本文的研究为肝胆肿瘤异质性提供了重要的见解，尤其是CSC分布的多样性和细胞进化轨迹的复杂性。同时，该研究揭示了CD44阳性亚群是通过过度激活Jak-STAT信号通路来引起耐药性的，Jak-STAT信号通路是由缺氧负荷中上调的NEAT1诱导的。应该保证进行更大样本量的进一步研究，以更好地阐明切除或药物治疗后肿瘤异质性与不良临床特征之间的关系。

另外，2021年2月15日，海军军医大学王红阳，南方医科大学侯金林等共同通讯在Cell Research 在线发表题为“Genome-scale profiling of circulating cell-free DNA signatures for early detection of hepatocellular carcinoma in cirrhotic patients”的研究论文，该研究基于cfDNA的独特基因组特征，该研究进行了大规模，多中心的研究，并开发了一种新颖的HCC诊断综合方法，强化了HIFI（5-羟甲基胞嘧啶/ motIf /片段化/核小体footprInt）方法作为HCC早期诊断和监测的新策略具有巨大潜力。HIFI方法满足了鉴定可用于治疗的早期HCC的迫切需求。总的来说，考虑到其高准确性，无创性和通用性，HIFI方法在高风险人群中具有巨大的公共健康筛查潜力，尤其是在没有HCC成像筛查所需的设备和基础设施的情况下（点击阅读）。

2021年2月3日，北京大学，海军军医大学，首都医科大学等40多家单位联手合作，张泽民，周鹏辉，蒋庆华，黄志伟，贝锦新，卞修武，刘新东，程涛，赵平森，王福生，苏冰，王红阳，张政，瞿昆，王晓群，陈捷凯，金荣华等共同通讯在Cell 在线发表题为“COVID-19 immune features revealed by a large-scale single cell transcriptome atlas”的研究论文，该研究对来自196名COVID-19患者和对照的284个样品应用了单细胞RNA测序，并创建了一个拥有146万个细胞的全面免疫环境。大型数据集能够确定不同的外周免疫亚型变化与COVID-19的年龄，性别，严重性和疾病阶段等不同的临床特征有关。SARS-CoV-2 RNAs存在于多种上皮和免疫细胞类型中，并伴随病毒阳性细胞内的转录组显著变化。S100A8 / A9的系统性上调主要由外周血中的巨核细胞和单核细胞引起，可能导致重症患者中频繁观察到的细胞因子风暴。该研究数据为了解COVID-19的发病机理和制定有效的治疗策略提供了丰富的资源（点击阅读）。

广泛的遗传和表型变异不仅存在于不同患者的肿瘤之间（肿瘤间异质性），而且还存在于单个肿瘤内部（肿瘤内异质性）。肿瘤异质性导致癌症信号通路的多样性并驱动表型变异，这对个性化癌症医学提出了重大挑战。转录组多样性和癌症干细胞（CSCs）可塑性是癌症异质性的重要原因，可在给定的微环境中产生可进行选择的多种细胞群。

单细胞水平高通量测序技术的发展加速了对人类肿瘤驱动基因突变，异常调节程序和分子亚型的理解。但是，现有的大多数研究都依赖于能够批量测量肿瘤的轮廓分析技术，这不足以在整体范围内探索和解释肿瘤异质性和进化。

单细胞技术的最新进展为探索单细胞水平的基因组，转录组和表观基因组的特性提供了途径。在过去的几年中，单细胞RNA测序（scRNA-seq）已用于许多实质细胞和非实质细胞的图谱构建，以重新定义细胞类型的组成并发现生理和病理条件下的新子集。此外，一些研究通过scRNA-seq对包括人类颅内肿瘤，头颈癌，乳腺癌和肺癌在内的许多人类实体瘤的进化和多样性揭示了新的见解。目前，关于肝胆系统的研究已陆续报道，但肝胆肿瘤异质性与药物反应之间的内在联系尚不清楚。

精准肿瘤学致力于发展更多的生理性人类癌症模型。新兴的类器官技术允许对患者来源的癌细胞进行体外长期培养，从而忠实地概括体内表型。类器官来自多能干细胞或分离的器官祖细胞，它们分化形成器官样细胞组织表现出多种细胞类型。最近，类器官被应用于模拟各种癌症，包括前列腺癌，胰腺癌，乳腺癌，肝癌，膀胱癌等，并促进了肿瘤内表型和分子异质性的广泛描述。源自肿瘤的类器官已成为进行肿瘤生物学，干细胞生物学和药物发现研究的强大工具。

由于巨大的异质性，建立一个能够如实地概括体内表型并进一步研究肝胆肿瘤异质性和耐药性的研究模型是一个巨大的挑战。在这里，该研究从7名患者中建立了患者源性肝胆瘤类器官，并使用scRNA-seq剖析了肿瘤间和肿瘤内异质性，这揭示了其转录程序表达中与细胞周期，缺氧和上皮状态有关的内在变量。此外，该研究发现CSC的异质性可能有助于肿瘤生态系统中的分子和生物多样性，并因此引起药物反应。此外，该研究在耐药亚群中表现出独特的代谢途径，这可能对于耐药性至关重要。这些数据揭示了对肝胆肿瘤类器官和相关关键亚群在调节肿瘤耐药性方面的肿瘤异质性的新见解。

参考消息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202003897

本文转载自公众号“iNature”（Plant_ihuman）

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