結(jié)直腸癌中干細胞群混合的動態(tài)和適應性作用

Dynamic and adaptive cancer stem cell population admixture in colorectal neoplasia

研究內(nèi)容： 以CBC（隱窩基地柱狀細胞Lgr5+ve） 和 RSC（再生干細胞Lgr5-ve）為主的干細胞在腸道里共存并發(fā)揮重要作用，文章深入研究利用RNA原位雜交（ISH）、多重熒光免疫組化（mIHC）和scRNA-seq技術，通過分子及形態(tài)學特征來鑒定腸道組織中的成體干細胞群。提出干細胞指數(shù)概念，發(fā)現(xiàn)Lgr5+ve和Lgr5-ve這兩種干細胞可以在組織微環(huán)境中信號轉(zhuǎn)導相關因子的調(diào)控下進行相互轉(zhuǎn)換與結(jié)腸癌病理進程相關。

影響因子IF:23.9

實驗樣本數(shù)量：多例人鼠結(jié)腸炎及腫瘤+類器官

實驗方法：轉(zhuǎn)錄組測序+RNA原位雜交+mIHC

Panel 1： CD4+MPO+FOXP3+CD68+CD8+E-CAD

Panel 2:  CD4+CD8+CD68+LY6G+FOXP3

Panel 3： CD34+PDPN+CD146+SMA+POSTIN+E-CAD

Panel 4： CD34+CD146+POSTIN+SMA+Grem1

Panel 5:  Laminin+MMP3+Fibronectin+Osteopontin+Col1+Tenascin-C 

作者通過對多組人和小鼠結(jié)腸癌樣本的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)了能表征結(jié)腸癌組織中CBC-RSC動態(tài)變化的參數(shù)——干細胞指數(shù)（Stem cell index）。簡單來說，作者所用的方法是：利用基因集變異分析（GSVA）在樣本scRNA-seq數(shù)據(jù)中計算單個樣本中RSC和CBC兩種細胞的富集評分，再從RSC分值中扣除CBC分值就算出了用于分析腸道干細胞相對豐度的“干細胞指數(shù)”。

隨后作者利用干細胞指數(shù)（配合病理檢測）對比分析了腸道息肉和結(jié)腸癌組織（包括單基因病變樣本），結(jié)果表明，兩種腫瘤干細胞在不同病理分型的樣本中有不同的富集傾向：CBC傾向在經(jīng)典通路發(fā)生突變的患者中富集（如管狀腺瘤、CMS2 和 CRIS-C、D、E 亞型）；RSC則傾向于在諸如鋸齒狀前體病變和腫瘤分子亞型為CMS4和CRIS-B病理的樣本中富集。此外，作者還發(fā)現(xiàn)了適用于小鼠樣本的干細胞指數(shù)分析方法，并實現(xiàn)了對Apc突變樣本（CBC富集）和部分其他基因突變樣本（Kras、Braf或Tgfβ突變，RSC富集）的分型檢測。隨后，作者還證實了結(jié)腸癌組織中腫瘤干細胞富集傾向和基因突變之間的相關性。

為了進一步明確結(jié)腸癌微環(huán)境對CBC-RSC動態(tài)富集是否存在調(diào)節(jié)作用，作者用多重熒光免疫組化檢測并量化分析了幾種不同基因型小鼠結(jié)腸癌樣本中的免疫細胞、間質(zhì)細胞和細胞間質(zhì)成分。并通過在類器官模型中對IFN-γ和TGFβ進行了補充實驗來模擬免疫信號和基質(zhì)信號轉(zhuǎn)導所產(chǎn)生的影響。

結(jié)果顯示，IFN-γ和TGFβ刺激均可引起WT小鼠和KPN小鼠腫瘤類器官干細胞指數(shù)轉(zhuǎn)向RSC富集，而AKPT類器官（Tgfβr1受體失活）單對IFN-γ刺激有反應。這些結(jié)果表明，微環(huán)境中的免疫和基質(zhì)來源的信號均能調(diào)節(jié)腫瘤干細胞的動態(tài)平衡。隨后，作者在小鼠模型中模擬CBC-RSC平衡打破（白喉毒素清除CBC），但在CBC清除5天后的檢測結(jié)果中，CBC-RSC平衡又恢復到給藥前水平，提示腫瘤微環(huán)境中存在腫瘤干細胞平衡狀態(tài)的快速恢復和維持機制。

為了對結(jié)直腸癌病人的分子表型變化進行可對比評估，作者利用FOxTROT療法（氟嘧啶、奧沙利鉑和靶向受體結(jié)腸癌術前治療）試驗數(shù)據(jù)集對比化療前后患者干細胞指數(shù)變化。結(jié)果表明，可以根據(jù)干細胞指數(shù)變化將患者分為“靜態(tài)”組患者和“可塑”組患者，通過這樣的分組可更準確地解釋FOxTROT數(shù)據(jù)中原本同一類型的患者對化療的不同響應結(jié)果。

綜上，作者開發(fā)了一種可用于檢測結(jié)直腸腫瘤干細胞混合的簡單且適用的分子工具，應用該工具作者提出了一種改進的結(jié)直腸癌干細胞表型適應度景觀模型，其中CBC 和 RSC 位于表型軸上的不同但相互關聯(lián)且平衡的干細胞群峰。個體腫瘤沿 CBC-RSC 表型軸平衡了干細胞群分布。CBC-RSC 的混合程度與上皮突變和微環(huán)境信號破壞有關，并且可以跨疾病分子亞型進行映射。CBC-RSC 平衡具有適應性，對急性選擇壓力有動態(tài)反應，且適應性與化學抗性有關。因此，該模型可應用于生物引導的新輔助療法，以告知我們當前醫(yī)療策略的調(diào)度。同時，該研究也提示為了消除結(jié)直腸癌治療耐藥性的演變，科學家們需要同時開發(fā)既能直接靶向干細胞群，又可阻斷適應性信號誘導的干細胞可塑性的新策略。