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聚焦肿瘤异质性及亚克隆:两位华人科学家发布结直肠癌重磅研究

著名学术期刊Annals of Oncology本月刊登了题为“Multiregion Whole Exome Sequencing of Matched Primary and Metastatic Colorectal Tumors Revealed Genomic Heterogeneity and Suggested Polyclonal Seeding in Colorectal Cancer Metastasis”的最新文章。研究人员通过高深度外显子测序技术,对结直肠癌病人原位癌和转移癌的异质性和其亚克隆进行了深入的系统分析,详细地描绘了转移癌亚克隆与原位癌亚克隆之间的进化关系,其结果对于结直肠癌转移发生的机理和临床预防与治疗有重要的指导意义。

此项研究由托马斯杰斐逊大学Sidney Kimmel癌症中心杨虎山课题组与范德堡大学遗传中心的李冰山课题组合作完成。范德堡大学魏强博士和Sidney Kimmel癌症中心的叶众博士为文章的共同第一作者。翱锐生物科技协作完成此研究。

Annals of Oncology为欧洲肿瘤学会(European Society for Medical Oncology, ESMO)的官方杂志其影响因子为11.855,在Journal Citation Reports的217个肿瘤学杂志中列第10位

结直肠癌是世界第四大癌症,每年死亡人数超过六十万人,其中90%是由于肿瘤发生转移而死亡。虽然化疗和靶向治疗药物在一定程度上可以控制肿瘤生长,但是使用一段时间后,肿瘤常常会产生抗药性,使得药物治疗失败。

这个过程中一个重要的机制就是肿瘤有异质性(Intratumoral Heterogeneity,ITH))。异质性的产生是因为同一个肿瘤是由具有多种不同基因组特征细胞构成,每一种细胞构成一个亚克隆(subclone)。因为通常大部分亚克隆里面的细胞对治疗是敏感的,所以很多肿瘤在刚开始接受治疗的时候会缩小。而另外一些亚克隆的细胞对治疗是有抗性的。在没有接受治疗的时候,这些有抗性的亚克隆在整个肿瘤里面的比例一般不高。但是在治疗杀死了那些敏感的亚克隆之后,抗性的亚克隆里面的细胞由于不受治疗抑制,同时也没有来自那些已经被杀死的亚克隆的竞争,所以会以极快的速度继续生长,从而使治疗失败,导致肿瘤复发或者转移。一旦这种情况发生,在复发或者转移的肿瘤中大部分的亚克隆都是对前面的治疗有抗性的,所以同类治疗一般不会再次产生效果。不同的肿瘤亚克隆细胞类型含有不同的基因组突变,从而有不同的功能。如何鉴定肿瘤细胞各种亚克隆以及不同亚克隆和癌症转移的关系是当前癌症研究的焦点之一,所取得的科研成果对认识肿瘤的发生发展有重要的推进作用,同时也揭示了肿瘤的复杂性远远超过人们之前的认识。

与之前其他异质性研究不同的是,此研究的重点是要揭示亚克隆在肿瘤里是如何进化和发展,特别是亚克隆是如何从原位癌转移到其他脏器而形成转移癌的。此研究中,研究人员对28个不同区域的结直肠原位癌和转移癌进行了高深度外显子测序,并分析这些区域的点突变和拷贝数变化在基因组层面上的变异。研究发现,亚克隆普遍存在,但同一个肿瘤的不同区域包括绝大部分的点突变和拷贝数变化。这个现象在转移癌中远比在原位癌中明显。换而言之,就是,只要测序深度足够的话,会发现转移癌的异质性远远低于原位癌。这说明对于结直肠癌肿瘤的转移癌的一个区域进行高深度的测序就可以找到整个肿瘤的绝大部分基因组变异,所以,在资源有限的情况下,没有大的必要去测转移癌的多个区域来认识肿瘤的变异情况。 

同时,研究人员探索了关于肠癌转移的一个重要问题:转移癌到底是由一个克隆发展起来的,还是由多个亚克隆起源的?这个问题对肠癌转移的机理,预防和治疗都有着重要的影响。

为了回答这个问题,研究团队先根据测序数据反应出来的基因组突变频率把每一个突变划分到不同的亚克隆,然后综合所有亚克隆的突变来构建进化树来从而还原亚克隆之间的进化关系。这个进化树可以帮助推断出是哪些亚克隆从原位癌迁移到了转移癌,以及每个亚克隆含有哪些重要的驱动基因突变,从而揭示转移癌和原位癌亚克隆的进化关系。结果发现(见附图),转移癌无一例外的是由多个起源于原位癌的亚克隆发展而来,支持了转移癌多克隆起源说,而不是以前更为流行的单细胞起源说。相比之下,原位癌亚克隆很多,到底是原位癌里哪些亚克隆具有转移的潜能,他们又是如何来完成转移的呢?这个问题目前还没有答案。但是这种在转移癌中多克隆同时存在的现象暗示了具有不同突变的亚克隆细胞之间可能有相互作用,并且只有通过这种相互作用而扩散的癌细胞才可能转移到其他组织并且生长起来。如何准确地找到、研究并破坏这种相互作用,将会对肠癌转移的预防和治疗有着重要的意义。 

此研究的另外一个有潜在的重要临床意义的发现是,结直肠癌的转移很可能有不依赖于淋巴结的途径。通常认为癌症的转移是从原位癌先到淋巴结,然后再到远端器官。可是,在此项研究中,研究人员分析了一个同时有原位癌,淋巴结转移,和肺转移的病人,发现三个转移性淋巴结的基因组特征非常类似,但是他们和的肺转移的基因组特征非常不同(见上图第二个Panel)。这个现象显示,非常可能在原位癌中的不同的亚克隆分别转移到了淋巴结和肺,而转移到肺的亚克隆在转移的过程中并未经过淋巴结的途径。虽然这个结论只是从一个病人的样本得来,但是和在随后的一篇刚刚发在《科学》上的文章(Science,  DOI: 10.1126/science.aai8515))的结论几乎完全相同。《科学》的文章比较了17个结直肠癌病人的213个样本,发现在65%的病人中,远端转移和淋巴结转移来自原位癌中不同的亚克隆。综合起来,本研究和《科学》文章一致支持结直肠癌的远端和淋巴结并行转移的机制。这个新的发现对临床上肠癌的预防,监测,和治疗有着极其深刻的影响。例如,当前临床肠癌的手术后,通常需要病理检测淋巴结。如果淋巴结是阴性的话,一般会将病人定位于一期或二期。但是由于并行转移机制的存在,仅仅淋巴结阴性显然不能排除远端转移的可能性,因而病人需要更为全面的检查比如PET扫描等等来排除远端转移的可能性。

当前关于亚克隆的研究,包括此研究的发现,都揭示了肿瘤里亚克隆的普遍性和复杂性,但是研究人员们对不同亚克隆对肿瘤的发生发展的机理还远远没有认识清楚。如何设计更准确有效的手段来分析亚克隆的存在和功能,对癌症预防和治疗会有深远的影响。一个明显的例子是现在行业认为最有潜力的液体活检。相对于常规活检,基于血液的液体活检可以全面的反映实体肿瘤的亚克隆的组成,而不必受实体肿瘤不同部位有不同突变的限制。但是由于肿瘤在治疗压力下会快速进化,而进化过程中亚克隆的组成和比例也会不断变化。如何能在这个变化的进程中捕获全面的亚克隆特征尤其重要。比如说,肿瘤复发后的亚克隆可能跟原位癌有很大的差别,那么基于原位癌而设计的方案也许对复发的监控有局限。那么对于用液体活检来检测肿瘤复发或早期筛查来说,考虑到亚克隆的复杂性和动态性就非常必要。随着测序成本的不断下降,在不久的将来,基于全基因组变异的液体活检技术由于其全面性,也许在临床上会成为常规的策略。

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本文由 测序中国 作者:白云 发表,转载请注明来源!

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