单细胞谱系追踪揭示淋巴系统是乳腺癌传播和转移的主流

小五

来源:觅健 2025-06-18 09:24:27

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关键词：转移

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奔跑的医生

甲乳驿站

2025年03月23日 15:53

湖北

癌症转移是一个复杂的过程，在此过程中，原发肿瘤中的肿瘤细胞穿过基底膜进入血管或淋巴管（内渗），通过血液循环或淋巴系统迁移，并在远处的器官/组织定植以进一步发展。转移导致了多达70% -90% 的癌症相关死亡。在绝大多数癌症中，肿瘤细胞同时脱落进入血管和淋巴管。不同肿瘤类型的转移在远处器官中表现出偏向性分布。这种现象被称为“器官趋向性”或“器官特异性”转移，这主要是由转移性癌细胞（“种子”）与其所在器官/组织微环境（“土壤”）之间的协调作用所导致，即“种子与土壤”假说。近日，来自中国澳门大学健康科学学院癌症中心研究团队采用条形码系统追踪单个肿瘤细胞，以展示其在转移过程中的细胞命运，包括迁移能力和路径。将这种谱系追踪分析与单细胞RNA测序（scRNA-seq）相结合，该团队证明了淋巴系统是乳腺癌扩散和转移的主要途径，这得益于预先设定的特定细胞因子表达，这种表达充当了肿瘤细胞与肿瘤微环境（TME）相互作用的内在驱动因素。本研究的数据还表明，源自同一祖细胞的癌细胞在不同的微环境中表现出不同的基因表达模式和不同的肿瘤细胞-肿瘤微环境通讯模式。该研究于2025.03发表在Molecular Cancer杂志（影响因子15分）。主要内容癌细胞从原发肿瘤侵入血管是肿瘤转移的主要瓶颈：本研究应用了CellTag条形码系统对乳腺癌细胞系4T1和EMT6进行研究，以追踪小鼠癌症模型中的肿瘤细胞转移情况。由于这两种细胞系在免疫功能正常的鼠体内都能自发形成高度转移性的肿瘤，因此它们是理想的模型，可用于展示肿瘤细胞在转移过程中的扩散路径和命运，从而研究肿瘤免疫微环境中内在驱动因素及其与基质细胞的交流模式。首先该研究将融合了GFP标记的组合细胞索引条形码标签转染到细胞中，然后通过荧光激活细胞分选（FACS）对细胞进行分选，以选择出标记的肿瘤细胞。为确保每个细胞都含有唯一的条形码。随后，将GFP阳性细胞在培养中扩增7天，然后进行DNA测序，接着，将细胞接种到BALB/c小鼠的第4个乳腺脂肪垫中，以建立肿瘤转移模型。所有受体小鼠均表现出远处器官的严重转移，尤其是肺和肝。值得注意的是，在血液和远处器官中鉴定出的条形码多样性大幅下降，仅为原发肿瘤的约1.04% -2.46% 。基于条形码系统，能追踪所有动物体内肿瘤细胞的转移命运。进一步分析发现，通过研究这些循环肿瘤细胞（CTCs）在转移瘤中的存在情况来追踪它们的命运，发现平均只有不到3% 的所有条形码在血液中被检测到。这些数据表明，癌细胞从原发肿瘤侵入血管是肿瘤转移的主要瓶颈。为了验证这一假设，本研究直接通过尾静脉向血管内注射相同数量的肿瘤细胞。通过DNA测序，发现肺转移瘤中的平均条形码数量是大约是将相同数量的癌细胞植入乳腺脂肪垫的小鼠肺中检测到的条形码数量的15倍。淋巴系统是肿瘤扩散的主要途径：进一步将肺和肝中的条形码类型与血液中的进行了比较，数据表明肺和肝中多达83% 的条形码在血液中并未出现。这些数据表明，虽然循环肿瘤细胞（CTCs）确实出现在转移性肿瘤中，但转移性细胞的很大一部分可能是通过其他途径扩散的。为了确定肿瘤细胞的迁移路径，本研究专门检查了腹股沟、腋窝和肱淋巴结中淋巴播散肿瘤细胞的CellTag信息。发现所有在血液循环中的肿瘤细胞均在淋巴系统中被发现，并且在淋巴结中检测到的转移性肿瘤细胞比在血液中检测到的多。这一结果可能表明，肿瘤细胞进入淋巴系统的内渗能力比进入血液循环更强，而在淋巴循环过程中，大多数肿瘤细胞在前往远处组织/器官定植形成转移性肿瘤的途中会因铁死亡或其他机制而逐渐死亡。基于7个重复样本进一步进行的全局细胞命运比较也表明，淋巴系统播散的肿瘤细胞表现出最高的多样性，几乎涵盖了所有血液循环中的肿瘤细胞（CTCs），并在不同的器官中形成了转移性肿瘤。本研究通过使用细胞标签系统，成功地发现了肿瘤细胞的转移路径，并据此定义了不同类型的转移性肿瘤细胞。基于这些谱系信息，可以确定原发肿瘤中细胞的命运，即哪些细胞能够进入血液和/或淋巴系统，哪些细胞能够通过血液循环定植于肺或肝，哪些细胞能够通过淋巴系统扩散到肺或肝。这些结果表明，肿瘤细胞在从原发部位扩散之前，可能就已经为特定的迁移路径做好了准备。肿瘤细胞与基质细胞之间的交流互动与其转移途径相关：为了确定决定肿瘤细胞转移命运的内在特征，本研究对原发性肿瘤进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq），包括肿瘤细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、T细胞和其他类型的基质细胞。专门针对肿瘤细胞进行降维，以揭示不同类型的转移细胞和非转移细胞之间的差异。为了探究不同类型的肿瘤细胞发生转移的驱动力，本研究利用CellCall程序进行了细胞间相互作用分析。结果表明，肿瘤细胞与多种基质细胞密切交流，尤其是巨噬细胞、成纤维细胞、内皮细胞和树突状细胞。不同类型的肿瘤细胞与免疫细胞的相互作用方式各异。对肿瘤细胞向基质细胞传递信号的分析表明，不同类型的细胞向微环境分泌不同的细胞因子或趋化因子，这可能有助于引导它们的迁移路径。肿瘤细胞在适宜的环境中表现出独特的特性：众所周知，只有当“种子”和“土壤”相容时才会发生转移。来自相同器官/组织的样本在不同小鼠体内表现出相似的细胞标签多样性，这表明肿瘤细胞在更相似的样本类型中表现出更大的相似性，并且肿瘤细胞中存在高度保守的特征来调节迁移命运，这些特征可以通过不同的细胞标签来识别。为了进一步展示癌细胞在转移过程中的特征，我们还对原发性肿瘤、肺转移瘤和肝转移瘤进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。为了评估肿瘤细胞在转移过程中的动态变化，专门针对癌细胞进行了基因集富集分析（GSEA），以展示原发性肿瘤和转移性肿瘤之间的差异。当肿瘤细胞迁移至肺部后，细胞因子反应（包括TGFβ信号通路）上调，而Toll样受体相关通路和代谢调节的生长相关通路则下调。肿瘤细胞在定植肝脏后表现出相似的基因表达模式，但Myc相关通路上调。最终只有极少数肿瘤细胞能够定植于远处器官。原发肿瘤和转移性肿瘤的种子-土壤通讯模式不同：为了进一步探究肿瘤微环境（TME）中的细胞间相互作用和通讯，本研究发现原发部位的肿瘤细胞与内皮细胞和成纤维细胞的相互作用更强。功能分析表明，其中一些基因主要是生长因子，在原发肿瘤中始终表现出高表达水平。此外，包括Tslp-Il17r/Crlf2、Il11-Il16st/Il16ra、Tgfβ1/3-Tfgbe1/2、Csf3-Csf3r和Csf1-Csf1r在内的配体-受体-转录因子相互作用对在所有肿瘤转移步骤中普遍上调。肿瘤细胞迁移至肺部后，Bmpr2高表达，随后其下游靶点Id1、Id2、Id4和Smad4也被激活。这些结果与基因集富集分析（GSEA）的结果一致，表明肿瘤细胞在不同的微环境中具有不同的基因表达模式，并且原发性肿瘤与转移性肿瘤之间的癌细胞-肿瘤微环境（TME）交流模式存在显著差异。推荐理由本研究通过细胞标记系统进行谱系追踪以确定单个细胞的命运。通过建立小鼠转移癌模型中，发现不同标记的细胞，即使是在已建立的细胞系中，也始终表现出迁移路径偏好和器官特异性转移，这表明在肿瘤细胞从原发部位扩散之前，其内在机制就已经预先设定好。由于其巨大的复杂性和多样性，免疫系统在肿瘤微环境中发挥着多方面的作用，不同的免疫细胞发挥着不同的甚至有时是相反的作用。肿瘤内异质性使肿瘤与肿瘤微环境之间的相互作用模式变得难以捉摸，通过单细胞RNA测序和细胞间相互作用分析能够识别出原发肿瘤中转移性肿瘤细胞的独特特征。由于只有少量脱落的肿瘤细胞能够形成转移性肿瘤，所以无论是整体还是单细胞水平的RNA测序都无法确定器官趋向性是由于不同“种子”优先迁移到不同器官，还是由于相同的“种子”在不同的“土壤”中被“教育”而产生不同的基因表达。因此，这种谱系追踪方法结合单细胞RNA测序分析为区分这两种可能性提供了有力手段。本研究的数据精确阐明了源自同一祖细胞的肿瘤细胞在不同“土壤”中表现出不同的基因表达模式，以及癌细胞-肿瘤微环境（TME）之间的相互作用。利用CellTag系统，本研究展示了乳腺癌转移的路径，并确定了淋巴传播的强效内在驱动因素。参考文献:Kai Miao,Aiping Zhang,Xiaodan Yang，et al.Lymphatic system is the mainstream for breast cancer dissemination and metastasis revealed by single-cell lineage tracing[J]. Molecular Cancer, 2025,24:75.

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