肿瘤转移研究如何走生信路线？

大多数癌症导致的死亡都是由于肿瘤转移引起的，但我们对肿瘤转移这种不断演变的、异质性的系统性疾病的认知仍然不足。肿瘤转移是指恶性肿瘤细胞从母体、原发病灶，通过血液途径、淋巴途径、直接蔓延等方式，转移到其它地方。转移事件的发生是由克隆选择、转移细胞的动态转变以及它们利用抑制性的免疫环境推动的。在这里，小编为大家介绍一下肿瘤转移的生物学知识，以及肿瘤转移如何走生信路线。

一、肿瘤转移的三个阶段

上皮和其它组织（如结缔组织和神经组织）来源的恶性肿瘤，都具有相似的侵袭和转移方式。甚至某些造血系统的肿瘤，比如淋巴瘤，也同样会播散到远端组织器官形成转移性肿瘤。这一系列的步骤，统称为“侵袭-转移性级联反应”。肿瘤转移转移包括传播、休眠和定植三个阶段，这三个阶段在时间上可以共存和重叠的（图1）。

• 传播阶段：

肿瘤转移启动细胞（Metastasis-Initiating Cells，MICs）起源于原发肿瘤，具有侵袭性迁移的能力，原发的肿瘤细胞通过上皮细胞-间充质转化（Epithelial-Mesenchymal Transition，EMT）增加自身侵袭性，侵袭至周围组织并迁徙至血管或淋巴管附近，穿出血管进入循环系统然后作为循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cells，CTCs）。大多数CTCs由于物理、生化和免疫应激源等因素而被清除。小部分的CTCs被困在远处器官的毛细血管床上，以播散肿瘤细胞(Disseminated Tumor Cells，DTCs)的形式渗出并迁移到器官实质中，到达远处器官时，DTCs可因为高氧化应激、缺乏支持性生长因子、营养物质等原因死亡。也可由于组织特异性巨噬细胞、自然杀伤细胞、浸润性T细胞和其他免疫机制免被进一步消除，而存活的DTCs可以进入可变的休眠期。

• 休眠阶段：

在此期间，DTCs要么退出细胞周期，要么进入动态平衡，通过免疫消除或肿瘤微环境(Tumor microenvironment，TME)逃避免疫监视，在此期间肿瘤几乎没有转移生长。播散和休眠被认为是微转移疾病，是一种临床影像无法发现的亚临床疾病。

• 定植阶段：

环境触发因素导致MICs退出休眠，形成临床上可检测到的大转移。临床上明显的大转移起源于MICs，它们已经适应TME，最终通过肿瘤再生、血管生成和免疫抑制等方法来实现生长和器官定植。定植后的肿瘤会不受限制地生长，导致器官功能障碍，全身器官功能崩溃，最终死亡。

图1转移的分期

二、肿瘤转移的特征

在侵袭-转移性级联反应中，转移细胞会有一些典型的特征。在原发肿瘤中，由于基因突变等因素导致癌基因被激活，抑癌基因功能受损，使得肿瘤细胞不受控制的生存和增殖、自我更新、迁移和入侵。虽然转移性的肿瘤细胞也有这些致癌特征，但绝大多数离开原发肿瘤的癌细胞无法存活并形成远处转移。因此，转移是一个主要的进化瓶颈。转移特异性特征的出现主要由以下两点决定：（1）通过从原发性癌症细胞群体中存在的遗传异质性中选择这些克隆；（2）通过离开原发性肿瘤的细胞对不同转移阶段的需求进行非遗传动态适应。在这一过程中，MICs会获得一些能力，使它们能够在恶劣的环境中传播、定植并在多种应激源中生存，作者这里总结为肿瘤转移的八个特征：遗传选择、可塑性、CO-OPTION OF DEVELOPMENTAL AND REGENERATIVE PROGRAMS（新兴概念：同时通过激活功能相关基因的共同调节模块来促进转移，这样的基因网络通常是导致癌症组织发育或再生所需的基因网络。）、免疫逃避、休眠、器官特异性微环境适应、重新改变系统环境、治疗耐药。

图2.肿瘤转移原则

三、转移性肿瘤中的微环境

TME的组成和选择对肿瘤的生长和进展是必不可少的。TME的主要成分是先天性和获得性免疫系统以及基质细胞，比如组织驻留和骨髓来源的巨噬细胞，极化为免疫抑制肿瘤相关巨噬细胞(Tumor-associated macrophages，TAMs)、单核细胞、髓系来源的抑制细胞、T细胞、NK细胞、树突状细胞、血管和淋巴管、癌相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts，CAFs)以及细胞外基质（Extra-cellular Matrix，ECM）的组成部分。DTCs必须躲避免疫系统的攻击，才能成功地定植在远处的器官上。在结直肠癌中，原发肿瘤的肿瘤浸润性淋巴细胞的增加表明患者具有良好的预后，而在实验模型中，T细胞和NK细胞的耗尽增加了肿瘤细胞的转移。近年来，免疫检查点抑制剂(Immune checkpoint inhibitors，ICIs)的使用已经改变了转移性癌症的临床格局。不同于化疗和放射治疗，阻断PD-1、CTLA-4和LAG3的免疫疗法可以在临床上发挥长期有效的反应，现在已经成为许多实体瘤的标准疗法之一。但由于缺乏肿瘤抗原、抗原提呈缺陷、T细胞激活缺陷等原因，一些类型的肿瘤对ICIs没有反应，被称为“冷肿瘤”。而在“热肿瘤”中，免疫抑制剂对抗肿瘤效果更好。原发肿瘤和转移性肿瘤的生物学特征不同，肿瘤微环境也不断发生变化。因此，了解转移癌的TME是提高免疫治疗疗效的关键(图3)。

图3转移性肿瘤微环境

四、转移性肿瘤相关的治疗策略

癌症患者一般会在两种情况下进行系统治疗：(1)对于可手术切除但临床没有转移疾病证据的原发肿瘤患者，医生可以在手术前(新辅助)或手术后(辅助)接受系统治疗，主要目标是消除微转移疾病；(2)在存在广泛转移疾病的IV期癌症患者中，治疗的目标通常从治愈转向缓解和延长生命。虽然化疗仍然是药物治疗的支柱，但随着ICIs的发展，靶向治疗和抗体-药物结合治疗显著提高了患者的总体生存率。针对转移的原理和机制我们可以进一步改善转移性癌症的治疗。例如，以癌细胞或其TME为靶点的治疗方法可以最大限度地消除转移细胞。因为在转移性肿瘤中，MICs与免疫监视处于动态平衡状态。增殖的细胞通常被组织驻留或循环免疫细胞消灭，而休眠的细胞则逃避免疫破坏。而针对转移扩散媒介的药物，如基质金属蛋白酶抑制剂，但是它在临床试验中尚未成功。这是因为当检测到原发肿瘤时，DTCs已经种植了远处的器官，使得阻止扩散的方法无效，这一点还需努力解决。总之，转移性肿瘤的研究和临床药物开发方面有可能改善患者的临床结局（图4）¹。

图4 当前和新兴的转移性疾病治疗策略

五、肿瘤转移的生信路线

• 建立肿瘤转移预测模型

临床预测模型是指使用数学模型或公式来评估受试者当前患有某种疾病或将来发生某种结局的概率的一种方法，是利用已知特征来预测未知结局。建模过程中涉及各种回归分析方法，常用方法有多元线性回归模型、Logistic回归模型和Cox回归模型等。临床预测模型有效性的评估和验证是统计分析、数据建模以及研究设计的关键，思路总结起来是设计、建模和评估验证。如果在别人都还在做肿瘤预后的时候，抢先一步做转移，就可以轻而易举的拿下高分！

比如今年的一月份Exp Hematol Oncol（影响因子：IF：8.593）期刊上就有一篇纯生信的文章。该文²利用免疫相关基因指数预测前列腺癌患者（接受根治性放疗）的转移。将GSE32571、GSE62872和GSE79021数据集合并后进行差异分析和WGCNA分析，获得182个差异表达基因，WGCNA分析获得4519个肿瘤相关基因。将两者与2660个免疫相关基因取交集获得21个候选基因。在GSE116918中进行单变量和多变量COX回归分析，鉴定GBP2和IGF1是与无转移生存期相关的独立因素，根据GBP2和IGF1计算免疫基因预后指数(Immunologic Gene Prognostic Index，IGPI)评分。根据IGPI评分中值将GSE116918中患者分为IGPI高/低两组，KM曲线分析两组间的转移风险和生化复发，并通过ROC曲线评估其准确性。IGPI评分在验证集GSE21034和GSE134051中进行预后分析验证，最后作者分析了临床特征与IGPI评分的相关性。总之，在本研究中作者通过建立一种新的预测模型来预测癌症的转移（图5）。

图5 IGPI的鉴定及其临床应用

• 用单细胞研究肿瘤转移

单细胞测序方法已成为解决肿瘤内异质性和追踪肿瘤发生过程中克隆谱系的有力工具。随着实验方案和计算方法的进步，现在单细胞测序可以识别全基因组的体细胞突变谱并估计细胞谱系的进化。单细胞测序的思路一般是：首先用自己获取的样本进行测序或者从数据库中挖掘数据，然后用得到的数据进行个性化的数据分析，其中个性化分析中的难点是用哪些分子标记、以及判断亚群之间有哪些科学意义。最后再讨论一些数据的聚类分析、交互网络以及亚群背后分子的意义等等。

因此小编给大家分享一篇今年1月发表在Neuro-Oncology（IF:15.9）杂志上的文章。肺癌脑转移为最常见的颅内转移瘤，目前肺癌脑转移的起源及驱动因素仍不清楚。在本研究中³，研究者基于scRNA-seq数据，表征了肺腺癌（Lung Adenocarcinoma，LUAD）脑转移患者的免疫微环境，并鉴定了可以代表肺腺癌脑转移起源的细胞亚群以及其潜在的生物标志物S100A9。同时使用配对样本验证了结果。这些发现可以识别出早期肺腺癌脑转移的高危患者。此外，研究者还预测了可能对高转移倾向患者有效的治疗药物，为未来进一步的相关临床研究奠定了基础（图6）。

图6 通过scRNA-seq分析LUAD和脑转移瘤样本中不同的细胞成分

• 癌症转移与表观遗传修饰

表观遗传修饰是指对基因表达的调控，通过化学修饰改变染色体上的DNA和蛋白质，从而影响基因的表达。这种修饰可以影响基因的转录、剪接、稳定性、翻译、核小体组装和染色质结构等多个层面，从而影响细胞的生理和病理过程，以及后代的表型。常见的表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA、RNA修饰和染色质重塑等。生物信息学在表观遗传领域中的典型代表是绘制相关修饰图谱。绘制修饰图谱主要分为以下三个方面：1）选择合适样本，进行修饰组学测序、分析数据；2）探索目标蛋白及关键修饰位点；3）关键蛋白及修饰位点的功能研究。

小编给大家分享一篇今年3月发表在Cell Research（IF: 44.1）杂志上的文章⁴。研究团队运用新型酰化修饰泛抗体，发现组蛋白赖氨酸2-羟基异丁酰化(Lysine2-hydroxyisobutyrylation，Khib)修饰水平在高转移性食管鳞癌（Esophageal Squamous Cell Carcinoma，ESCC)细胞系中存在显著的变化。另外，在结直肠癌和肺癌细胞和组织中也获得了一致的结果，表明这种现象的一致性和普遍性。研究人员进一步对20例ESCC原发肿瘤组织（T）、配对的正常组织（N）和淋巴结转移组织（LN）（样本策略）进行了系统的蛋白质组学和Khib修饰组学分析，绘制了原发性/转移性ESCC肿瘤组织的Khib修饰图谱。作者发现与癌症进展相关的Khib修饰蛋白主要富集在核酸和RNA加工途径中。研究产生的Khib蛋白质组数据，同时也为癌症和其他疾病的机制研究提供了数据库资源。研究首次报道赖氨酸酰化修饰与RNA酰化修饰存在相互作用，为人类癌症的表观遗传调控提供了新的见解，同时为抗肿瘤转移提供了新的思路（图7）。

图7 食管癌转移细胞系和组织标本中Khib的全局分析

全文总结：

癌症的转移过程是一个依赖于应激反应、免疫抑制环境等多因素过程，因此与原发性肿瘤相比，治疗转移性肿瘤的策略更加复杂。科研人员试图从遗传、细胞以及分子机理上理解它，在本文中，小编阐述了肿瘤转移的最新进展以及前沿研究，叙述了抗肿瘤药物研发和临床治疗的方向，同时也提供了有趣的研究思路，希望可以帮助到大家。

【参考文献】

1.Gerstberger S, Jiang Q, Ganesh K. Metastasis. Cell. 2023;186(8):1564-79.

2.Feng D, Zhu W, Shi X, Wang Z, Wei W, Wei Q, et al. Immune-related gene index predicts metastasis for prostate cancer patients undergoing radical radiotherapy. Exp Hematol Oncol. 2023;12(1):8.

3. Wang Z, Wang Y, Chang M, Wang Y, Liu P, Wu J, et al. Single-cell transcriptomic analyses provide insights into the cellular origins and drivers of brain metastasis from lung adenocarcinoma. Neuro Oncol. 2023.

4.Liao L, He Y, Li SJ, Yu XM, Liu ZC, Liang YY, et al. Lysine 2-hydroxyisobutyrylation of NAT10 promotes cancer metastasis in an ac4C-dependent manner. Cell Res. 2023;33(5):355-71.