Dev Cell | 陈庠/黄鑫等揭示肌肉发育调控机制在横纹肌肉瘤的肿瘤内异质性及在化疗耐药性中的决定性作用

不同于成人，儿童肿瘤患者往往没有长时间环境致癌物的影响，因此很大程度上儿童肿瘤源于发育过程中发生差错，从而造成部分细胞的不可控增殖。横纹肌肉瘤（Rhabdomyosarcoma， RMS）是一种形态上有横纹肌特征的恶性儿童实体瘤，是儿童期最常见的软组织肉瘤。尽管近三十年来在多个临床试验中尝试了各种新面世的化疗药物，强化用药剂量，以及不同药物组合，中危组（占比55%，长期生存率65%）和高危组（占比20%，生存率低于30%）的RMS总体生存率并没有显著提高。其中高复发率以及复发后缺乏有效的二线治疗方案是进一步提高这些病人生存率的主要障碍。

数年前进行的癌症基因组研究清晰说明RMS有肿瘤内异质性，往往一些在肿瘤中占比很低的癌细胞亚群具有对化疗药物的抗药性，并且主导之后肿瘤复发的进程。但是这些过往研究并没有发现明确的可以诱导复发的变异。

为了进一步阐明RMS肿瘤耐药性以及愈后复发的机制，2022年4月27日，Michael A Dyer领导圣裘德儿童研究医院 (St. Jude Children’s Research Hospital) 的一个团队在Development Cell杂志发表文章The myogenesis program drives clonal selection and drug resistance in rhabdomyosarcoma，说明横纹肌肉瘤RMS中存在对应不同肌肉发育阶段的癌细胞亚群，其中类中胚层的癌细胞亚群可以有效逃避化疗药物的作用，并且在复发肿瘤中重塑其他亚群，最后该研究还发现EGFR可以作为针对类中胚层癌细胞亚群的一个有效治疗靶点。

首先，该研究对18对病人肿瘤及对应的PDX和类器官（organoid）模型进行了单细胞/单核RNA测序，以及单细胞ATAC测序，结果说明1）在癌细胞中有不同的亚群，分别表达对应于正常肌肉发育调控中起关键性调控作用的转录因子，包括在中胚层细胞表达的（MEOX2，PAX3），在成肌细胞表达的（MYF5，MSC）和在肌细胞表达的（MYOG，MEF2C）；2）转录层面上的异质性源于调控这些与发育相关的转录因子表达的超级强化子（super-enhancer）的活性差别；3）腺泡型肿瘤（ARMS）表达中胚层特有转录因子的细胞比例显著低于胚胎型肿瘤（ERMS）；4）类中胚层的癌细胞在化疗之后的样本中富集；5）类成肌细胞的亚群具有显著更多的细胞分裂活性。之后通过对病人肿瘤组织样本进行多重免疫组化分析证实这些不同发育阶段对应的转录因子表达在不同细胞中，从而确认肿瘤中对应不同发育阶段的癌细胞亚群的存在。最后，研究团队通过在PDX中转入不同多核苷酸代码（unique oligonucleotide barcode）的实验证实在这些不同的肿瘤细胞亚群之间可以互相转化。

其次，研究团队基于陈庠课题组开发的细胞潜态（latent cellular state）概念，将高维的人类RMS单核/单细胞样本与鼠胚胎发育中肌肉发育相关的单核样本在高度浓缩有效信息的低维细胞潜态空间中比对，进一步证实RMS（特别是ERMS）肿瘤内异质性反映了正常胚胎肌细胞的发育过程。

第三，单核/单细胞测序实验结果指向类中胚层癌细胞具有对化疗药物更强抗性的假设，为了进一步验证这个假设，研究团队通过对一个临床试验（RMS13）中同一个病人诊断时和化疗中分别取得的肿瘤样本进行免疫组化分析，证实相较诊断样本，表达MEOX2的类中胚层肿瘤细胞在治疗中的肿瘤中富集。该结果在用PDX模型模拟的治疗过程中再次验证。研究团队还与加州大学Irvine分校Dominik Wodarz课题组合作通过数学建模的方式动态模拟了类中胚层亚群在治疗中富集的过程。

第四，通过运用于吉洋课题组开发的NetBID系统生物学分析方法，利用转录组表达数据构建疾病特定的生物网络并整合多组学数据，构建不同亚群中特定的基因调控和信号传导网络，并通过比较不同细胞亚群，找出了类中胚层亚群存在明显活性差异的驱动基因群，其中EGFR在ERMS特异的信号分子网络中是一个显著的hub基因。进一步实验证实，在目前常规的VCR+IRN疗法中加入针对EGFR的靶向药物可以显著延长PDX模型的生存时间。

该研究的共同第一作者Anand G Patel，陈庠和（于吉洋课题组博士后）黄鑫以及通讯作者Michael A Dyer均来自圣裘德儿童研究医院。

原文链接：

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(22)00243-X#%20