單細胞和空間技術(shù)是推動乳腺癌研究的途徑

研究表明：在美國，大約1/8的女性會患上浸潤性乳腺癌，這一數(shù)字大約是美國女性總數(shù)的13%。而男性也未能幸免：大約833人中就有1人被診斷出患有乳腺癌。根據(jù)美國癌癥協(xié)會的論述，乳腺癌最重要的風險因素是女性和變老,而我們卻對這兩項風險因素無能為力。因此，雖然預防是關(guān)鍵，但盡可能多地了解疾病進展和治療反應是尤為重要的。

從開始梳理腫瘤微環(huán)境的單細胞基因表達研究，到基于局部空間基因表達的腫瘤細胞類型圖譜——隨著單細胞和空間技術(shù)的到來，乳腺癌研究領(lǐng)域取得了重大進展。

基于激素受體陽性、HER2陽性和三陰性乳腺癌（TNBC）^[1] 相關(guān)基因表達，乳腺癌可以細分為5個分子亞型。然而，相對而言，科學家們對乳腺癌復雜的腫瘤微環(huán)境（TME）、腫瘤如何與免疫系統(tǒng)和其他周圍細胞和組織相互作用以及這種活動對預后和治療意味著什么知之甚少。隨著單細胞和空間技術(shù)的出現(xiàn)，科學家們正在彌合這一知識鴻溝。在這里，我們精選了四篇文章，研究人員在單細胞水平上定義和表征乳腺癌方面取得了重大進展。通過這些研究能夠讓我們更多地了解不同類型乳腺癌的發(fā)展和轉(zhuǎn)移背后的機制，同時也將轉(zhuǎn)化研究和臨床試驗推向個性化治療，為乳腺癌的治療帶來希望。
 

一種正在增殖的乳腺癌細胞。圖片來源：阿拉巴馬大學伯明翰分校。

創(chuàng)建圖譜：以單細胞、空間分辨率繪制人類乳腺癌
在第一項研究“人類乳腺癌的單細胞和空間解析圖譜”中^[2]，由加文醫(yī)學研究所的Sunny Wu博士帶領(lǐng)的研究人員使用Chromium Single Cell Gene Expression以及Visium Spatial Gene Expression來創(chuàng)建具有空間分辨率的乳腺癌單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜。對26個原發(fā)腫瘤進行單細胞RNA測序（scRNA-seq），鑒定了所有腫瘤和亞型的所有主要細胞類型。將他們開發(fā)的用于內(nèi)在分子亞型分型的scRNA-seq兼容方法與從scRNA-seq數(shù)據(jù)中識別的基因特征相結(jié)合，從而能夠?qū)δ[瘤進行分類并顯示重復基因模塊（GM）或?qū)е履[瘤內(nèi)常見的細胞異質(zhì)性的同期表達基因組。

在六個樣本上使用Visium空間基因表達，發(fā)現(xiàn)TNBC樣本中GM3（EMT、IFN、MHC）和GM4（增殖標志物）富集，而GM1和GM5（ER，管腔）富集了雌激素受體陽性（ER+）案例。有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)GM3和GM4表型僅出現(xiàn)在其他表型不出現(xiàn)的乳腺癌區(qū)域。通過在單細胞和空間水平上進一步描述乳腺腫瘤，它們的圖譜可用于改進乳腺癌的分類。
 

通過成像檢測到的單個乳腺癌細胞。圖片來源：澳大利亞ABC新聞。

通過跟蹤克隆擴增來表征乳腺癌轉(zhuǎn)移
在第二項研究“乳腺癌轉(zhuǎn)移的部位決定了它們的克隆組成和可逆轉(zhuǎn)錄組學特征”中^[3]，由Olivia Newton-John癌癥研究所的Jean Berthelet博士帶領(lǐng)的科學家們采用了光學條形碼技術(shù)以及單細胞基因表達譜來研究TNBC轉(zhuǎn)移過程中克隆細胞的相互作用網(wǎng)絡，與其他乳腺癌亞型相比，TNBC與更差的預后和更高的復發(fā)風險相關(guān)。

對TNBC乳腺癌細胞系和兩個轉(zhuǎn)移部位（肺和肝）的條形碼亞克隆進行scRNA-seq，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移在肺中是高度多克隆的，但在肝中沒有。此外，亞克隆轉(zhuǎn)錄組變異性表明，在原發(fā)性腫瘤中占主導地位的亞克隆在發(fā)生轉(zhuǎn)移的組織中仍然占主導地位。比較不同條形碼亞克隆的基因表達譜，研究確定了1,366個差異表達基因的轉(zhuǎn)移位點驅(qū)動特征；其中，與肝轉(zhuǎn)移相比，腫瘤壞死因子-α通路在肺中強烈上調(diào)。這些結(jié)果表明TME驅(qū)動了轉(zhuǎn)移灶中的異質(zhì)性。
 

乳腺癌細胞離開原始腫瘤并擴散到身體的其他部位。圖片來源：Quest/Science Source（來自紀念斯隆凱特琳癌癥中心）。

預測T細胞生物標志物以進行有效的免疫檢查點阻斷免疫療法
在第三項研究“乳腺癌患者抗PD1治療期間腫瘤內(nèi)變化的單細胞圖譜”中^[4]，VIB-KULeuven中心的博士生Ayse Bassez帶領(lǐng)科學家使用轉(zhuǎn)錄組和免疫分析構(gòu)建了腫瘤內(nèi)變化的單細胞圖譜。免疫檢查點阻斷（ICB）加化療可改善治療反應^[5]，但并非所有患者都對新輔助ICB有反應。為了探究原因，他們在化療前用抗PD1（一種常見的ICB抗體療法）治療了40名患者，并跟蹤了腫瘤內(nèi)的變化。

在兩個隊列中（一個接受抗PD1，一個接受化療，然后接受抗PD1）使用單細胞免疫分析對匹配的治療前和治療后活檢進行scRNA-seq和T細胞受體作圖。9名患者在治療后進行了T細胞克隆型擴增。在選擇T細胞擴增和治療階段時使用scRNA-seq數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在抗PD1治療后表達PD1的T細胞增加。在處理前擴增的T細胞與未擴增的T細胞之間鑒定出差異表達的基因，發(fā)現(xiàn)T細胞中的表達特征可用于預測T細胞的擴增。繪制的與抗PD1治療后T細胞擴增相關(guān)的治療前免疫TME圖可以提供對臨床生物標志物的深入了解。


解決原位管癌（乳腺癌的早期階段）的異質(zhì)性
在第四項研究“基因組分析揭示了乳腺原位導管癌的異質(zhì)性群體”中^[6]，東京大學的Satoi Nagasawa醫(yī)學博士帶領(lǐng)的一組科學家使用Visium空間基因表達來揭示乳腺癌腫瘤內(nèi)的細胞多樣性。導管原位癌（DCIS）是乳腺癌的早期階段，可能發(fā)展為浸潤性導管癌。然而，很難確定誰是高危需要手術(shù)的人，因此確定危險因素對評估和治療至關(guān)重要。

在這項研究中，研究人員首先使用傳統(tǒng)方法選擇并驗證了DCIS的基因組風險因素—GATA3和PIK3CA突變。通過使用三個特定案例對DCIS進行空間轉(zhuǎn)錄組分析，結(jié)果表明具有GATA3突變的DCIS細胞有時會發(fā)展為浸潤性癌癥。然而，具有PIK3CA突變的DCIS細胞不會導致癌癥�？傊�，使用新標記對DCIS進行更準確的分類對于決定正確的治療至關(guān)重要。

乳腺癌的主要組織學類型。從左上到右下：導管、髓質(zhì)、管狀、篩狀、粘液性和（鱗狀）化生性乳腺癌。圖片來源：腫瘤學和血液學中的遺傳學和細胞遺傳學圖譜。

朝著更好的診斷和治療邁進
很明顯，單細胞和空間技術(shù)正在推進我們對乳腺癌發(fā)展、進展和治療的理解，超出了使用傳統(tǒng)方法的想象。無論是使用新創(chuàng)建的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，還是使用基因表達和免疫分析來更好地描述疾病狀態(tài)，臨床研究人員越來越多地掌握了更好地診斷、分層和提供針對乳腺癌的個性化治療的方法。

參考文獻