腫瘤幹細胞指數——結直腸腫瘤中的動態、適應性癌症幹細胞群混合

撰文 | 靜雪

腸道是由成體幹細胞支援的組織之一。G蛋白偶聯受體5 （Lgr5）選擇性表達在人和鼠隱窩的隱窩基柱狀細胞 （CBC） 中。已知Lgr5+ve CBC支援腸道穩態，但它們在上皮再生方面的直接貢獻尚不清楚。在小鼠結腸炎模型中，Lgr5 的表達下降至無法檢測的水平，並在損傷後第5天恢復，這表明損傷早期上皮中存在（一個或多個）替代性幹細胞群發揮功能。研究表明，腸道損傷後，去分化可導致 Lgr5-ve 再生幹細胞群 （RSC） 的出現，該幹細胞群以胎兒轉錄譜為特徵。

癌症通常被描述為“永不癒合的傷口”。研究表明 CBC 是腸道腫瘤發生的起源，同時腸道腫瘤中也存在 RSC 幹細胞群。研究還發現，幹細胞可塑性是腸道再生的基礎，誘導的幹細胞可塑性可賦予原發腫瘤對選擇壓力的適應能力。腫瘤細胞可塑性和由此產生的表型異質性可驅使臨床治療抵抗，因此對幹細胞可塑性的研究具有臨床相關性。然而，幹細胞可塑性在結直腸腫瘤中的貢獻尚未完全明確。可惜的是，由於缺乏明確的、可測量的、與病理相關的可暫時追蹤譜系命運的表型狀態，導致對結直腸癌中幹細胞可塑性及表型異質性的評估受到了嚴重阻礙。

2022年8月4日，來自牛津大學人類遺傳學惠康中心的

Simon J Leedham

團隊在

Cell Stem Cell

上發表題為

Dynamic and adaptive cancer stem cell population admixture in colorectal neoplasia

的文章，作者開發了一種適用的、易於使用的轉錄分子工具：幹細胞指數，它可用來評估腸道腫瘤中的幹細胞群混合。作者應用幹細胞指數工具證實腫瘤幹細胞分子表型與病變亞型和細胞內在、外在訊號紊亂相關，並隨著腫瘤選擇壓力的變化而改變。

作者選擇了一個已建立的 CBC 分子簽名，並透過聚合已釋出的 RSC 特徵定義了一個 RSC 分子簽名，並根據單細胞 RNA-seq 資料對該分子簽名進行改進。首先，作者證實 CBC 和 RSC 分子特徵和形態標記可用於識別小鼠和人類腸道組織中不同的上皮幹細胞群。作者還發現單個腫瘤可能不同程度地傾向於以 CBC 或 RSC 為主的幹細胞表型。富含 CBC、RSC 或兩種細胞標記物的細胞群都保留了幹細胞潛力。

作者使用基因集變異分析 （GSVA） 計算了 CBC 和 RSC 分子簽名的單樣本富集分數，並透過從 RSC 分數中減去 CBC 分數得出腸道幹細胞指數 （stem cell index），用於評估各種人類和小鼠腫瘤中不同幹細胞分子特徵的相對丰度。在腸道息肉和腫瘤中，作者觀察到幹細胞分子特徵和形態標誌物的表達沿 CBC-RSC 表型軸變化，表明 CBC 和 RSC 分子表型的可變富集/混合。同時，單個病變組織在 CBC-RSC 表型軸上按組織學或分子亞型聚集：CBC 在經典途徑病變中富集，例如管狀絨毛狀腺瘤、CMS2 和 CRIS-C、D、E 癌症亞型；而 RSC 則在鋸齒狀前體病變、CMS4 和 CRIS-B 中相對富集。因此，幹細胞指數可用於評估一系列小鼠和人類腫瘤幹細胞群分子表型的可變混合。

那麼不同腫瘤的不同幹細胞分子特徵由何種基因或者通路驅動的呢？首先，作者發現在人類腫瘤病變中，關鍵訊號通路的最佳驅動基因突變與腫瘤的主要幹細胞分子表型之間存在關聯。作者還發現，腫瘤微環境訊號，包括免疫衍生、基質衍生的訊號都可以直接調節上皮幹細胞分子表型。以上結果表明，腫瘤幹細胞分子表型的差異與上皮細胞內在驅動基因突變差異以及關鍵微環境訊號通路的保守跨物種破壞相關。

接下來，作者利用幹細胞指數分析發現，腫瘤內消融一個幹細胞群則會引發細胞可塑性和幹細胞表型的急性適應性轉換，隨後便迅速恢復被消融的幹細胞分子表型。這表明，腫瘤中不同腫瘤幹細胞群體之間存在動態平衡，以適應選擇壓力。最後，作者在對有價值的 FOxTROT 臨床佇列分析中發現，使用時間間隔的幹細胞指數測量可作為腫瘤適應度的衡量標準，同時也證明幹細胞分子表型動態變化的能力與腫瘤對臨床治療的響應性降低有關。

綜上，作者開發了一種可用於檢測結直腸腫瘤幹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直腸癌幹細胞表型適應度景觀模型

（下圖）

，其中CBC 和 RSC 代表位於表型軸上的不同但相互關聯且平衡的幹細胞群峰。個體腫瘤沿 CBC-RSC 表型軸平衡了幹細胞群分佈。CBC-RSC 的混合程度與上皮突變和微環境訊號破壞有關，並且可以跨疾病分子亞型進行對映。CBC-RSC 平衡具有適應性，對急性選擇壓力有動態反應，且適應性與化學抗性有關。因此，該模型可應用於生物引導的新輔助療法，以告知我們當前治療策略的排程。同時，該研究也提示為了消除結直腸癌治療耐藥性的演變，科學家們需要同時開發既能直接靶向幹細胞群，又可阻斷適應性訊號誘導的幹細胞可塑性的新策略。

原文連結：

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(22)00303-4

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