胡喜娥,楊振宇,薛景毅,楊 平,彭書(shū)甲,袁利娟,包國(guó)強(qiáng)
1.空軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院普通外科,陜西 西安 710038;2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712000
三陰性乳腺癌(triple-negative breast cancer,TNBC)是指缺乏雌激素受體(estrogen receptor,ER)、孕激素受體(progesterone receptor,PR)和人表皮生長(zhǎng)因子受體2(human epidermal growth factor receptor 2,HER2)表達(dá)的一類(lèi)乳腺癌亞型,占乳腺癌患者總數(shù)的12%~18%[1-2]。相對(duì)于乳腺癌其他亞型,TNBC患者在診斷時(shí)原發(fā)腫瘤大,惡性程度高。由于缺乏相關(guān)治療靶點(diǎn),TNBC對(duì)激素療法和靶向治療都不敏感,目前采用以化療為主的全身治療方案。其中新輔助化療(neoadjuvant chemotherapy,NAC)是伴有較高腫瘤負(fù)荷的TNBC患者的首選治療方案[3]。但約有50%的TNBC患者對(duì)NAC表現(xiàn)出耐藥性,導(dǎo)致該疾病整體的難治性[1,4]。
有研究[5-8]表明,TNBC患者存在高水平的體細(xì)胞突變、TP53頻繁突變以及復(fù)雜的非整倍體重排,導(dǎo)致廣泛的瘤內(nèi)異質(zhì)性。以往關(guān)于TNBC患者化療耐藥性的研究?jī)H基于靶向標(biāo)志物或高通量基因組的組織分析,而且在化療期間重建克隆進(jìn)化的能力有限[5,9]。近年來(lái),隨著高通量測(cè)序時(shí)代的來(lái)臨,單細(xì)胞測(cè)序(single-cell sequencing,SCS)技術(shù)不斷發(fā)展,逐漸成為一種研究TNBC腫瘤復(fù)雜性的理想方法。SCS可獲得單個(gè)細(xì)胞基因組、轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳學(xué)信息,從而可以有效地識(shí)別單個(gè)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生的獨(dú)特突變表型,是解決瘤內(nèi)異質(zhì)性、重建進(jìn)化譜系和檢測(cè)稀有亞種群的強(qiáng)大工具,為提高TNBC的精準(zhǔn)治療水平提供了新思路[10-11]。
與傳統(tǒng)高通量測(cè)序技術(shù)分析細(xì)胞整體性特征信息不同,SCS技術(shù)是在單個(gè)細(xì)胞基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)基因組、轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳組等的高通量測(cè)序分析,從而能夠剖析單個(gè)細(xì)胞基因表達(dá)的動(dòng)態(tài)信息,揭示不同細(xì)胞的差異和進(jìn)化關(guān)系[12-13]。由于組成生物機(jī)體的每個(gè)細(xì)胞都是獨(dú)一無(wú)二的,傳統(tǒng)的高通量測(cè)序通過(guò)檢測(cè)混合樣本中集合細(xì)胞的平均基因表達(dá)情況,只能粗略地揭示細(xì)胞間的生物學(xué)差異,因此可能掩蓋了一些關(guān)鍵基因表達(dá)變化及細(xì)胞具體分化機(jī)制,不利于一些生物學(xué)變化過(guò)程中詳細(xì)機(jī)制的研究。而SCS技術(shù)很好地解決了這一問(wèn)題。因此,利用SCS技術(shù)可以幫助我們更好地解釋機(jī)體精細(xì)變化的分子機(jī)制,為傳統(tǒng)的生物學(xué)研究提供新的視野。目前,SCS主要分為單細(xì)胞基因組測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、表觀遺傳學(xué)測(cè)序及多組學(xué)測(cè)序;其具體流程包括單細(xì)胞分離捕獲及測(cè)序與數(shù)據(jù)分析。
單細(xì)胞分離捕獲是SCS的首要步驟,也是SCS成功的關(guān)鍵。單細(xì)胞分離捕獲的方法主要包括連續(xù)稀釋法、單細(xì)胞顯微鏡操作法、流式細(xì)胞術(shù)(flow cytometry,F(xiàn)CM)、微流控技術(shù)、激光捕獲顯微切割術(shù)(laser-capture microdissection,LCM)等[14-20],這些方法大多數(shù)都需要從新鮮的癌癥組織中制備細(xì)胞懸浮液。不論起始樣本如何,制備高質(zhì)量的單細(xì)胞懸浮液對(duì)于單細(xì)胞分離捕獲及后續(xù)的序列擴(kuò)增與測(cè)序至關(guān)重要。
1.2.1 單細(xì)胞基因組測(cè)序
單細(xì)胞基因組測(cè)序需要在分離得到的單細(xì)胞中提取DNA,然后對(duì)提取到的DNA進(jìn)行進(jìn)一步的全基因組擴(kuò)增(whole-genome amplification,WGA),再通過(guò)DNA二代測(cè)序技術(shù)進(jìn)行測(cè)序分析,最終檢測(cè)出多種不同類(lèi)型的基因改變。WGA的主要方法包括多重置換擴(kuò)增(multiple displacement amplification,MDA)、退行性寡核苷酸聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction,PCR)和多重退火環(huán)狀循環(huán)擴(kuò)增等。其中,MDA由于對(duì)全基因組的覆蓋率高,因此多用于單核苷酸突變的檢測(cè),而后兩者對(duì)基因組擴(kuò)增的均一性好,對(duì)大于1 Mb拷貝數(shù)變異的檢測(cè)具有更高的靈敏度和特異度[21-22]。
1.2.2 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序
單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序可直觀地反映基因的表達(dá)情況,能更準(zhǔn)確地辨別處于不同狀態(tài)或發(fā)展階段的細(xì)胞。具體方法為:在單細(xì)胞分離和RNA提取后,先將捕獲的mRNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA,再用PCR或體外轉(zhuǎn)錄的方法進(jìn)行全轉(zhuǎn)錄組擴(kuò)增,最終進(jìn)行測(cè)序分析。主要方法包括:Tang法、5’末端轉(zhuǎn)換的RNA轉(zhuǎn)錄本測(cè)序、Quartz測(cè)序法(Tang法的簡(jiǎn)化和改進(jìn)版本)、細(xì)胞表達(dá)的線(xiàn)性擴(kuò)增測(cè)序、單細(xì)胞標(biāo)記反轉(zhuǎn)錄測(cè)序、數(shù)組基和乳化基測(cè)序法等[23]。由于每個(gè)單細(xì)胞都有成千上萬(wàn)份mRNA轉(zhuǎn)錄本,而染色體DNA分子只有2份,因此單細(xì)胞RNA測(cè)序的發(fā)展相較于DNA測(cè)序已取得顯著進(jìn)展。
1.2.3 單細(xì)胞表觀遺傳學(xué)測(cè)序
表觀修飾包括DNA甲基化、羥甲基化、非編碼RNA調(diào)控、組蛋白修飾、染色質(zhì)重構(gòu)及與染色質(zhì)結(jié)合的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)蛋白等[24]。除基因組本身以外,其表觀修飾也對(duì)基因表達(dá)調(diào)控起著重要作用,尤其是DNA甲基化。目前,DNA甲基化可以用多種方法繪制全基因組圖譜,如甲基化特異性限制性?xún)?nèi)切酶、親和純化以及單細(xì)胞簡(jiǎn)化代表性亞硫酸氫鹽測(cè)序法(single-cell reduced-representation bisulfite sequencing,scRRBS)等,其中,scRRBS已被廣泛用于單細(xì)胞DNA甲基化的研究中,因其允許單堿基分辨率和DNA甲基化水平的絕對(duì)定量,被認(rèn)為是金標(biāo)準(zhǔn)[25]。
1.2.4 單細(xì)胞多組學(xué)測(cè)序
單細(xì)胞多組學(xué)測(cè)序?yàn)檠芯繉?shí)體瘤發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中的各種分子機(jī)制以及進(jìn)一步探討各細(xì)胞基因組、轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳學(xué)三者之間的關(guān)系提供了極大幫助。Hou等[26]開(kāi)發(fā)了一種單細(xì)胞三重組學(xué)測(cè)序技術(shù),可同時(shí)分析單個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的基因組拷貝數(shù)變異以及DNA甲基化組和轉(zhuǎn)錄組信息,為分析基因組和表觀基因組異質(zhì)性對(duì)細(xì)胞群中轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性的復(fù)雜貢獻(xiàn)提供了新途徑。Macaulay等[27]利用G&T-seq(一種從單細(xì)胞分離和測(cè)序基因組DNA和全長(zhǎng)mRNA的方法),對(duì)來(lái)自小鼠和人類(lèi)的220多個(gè)單細(xì)胞平行測(cè)序,最終同時(shí)獲得了單個(gè)細(xì)胞的基因組和轉(zhuǎn)錄組信息。
NAC最初僅用于局部進(jìn)展期或炎性乳腺癌,而現(xiàn)在用于可手術(shù)的患者中,特別是在TNBC患者中更為常見(jiàn)。NAC使患者能夠進(jìn)行保乳手術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)治療反應(yīng),有利于在術(shù)前評(píng)估個(gè)體腫瘤的化療敏感性;NAC過(guò)程中還可以同時(shí)添加其他系統(tǒng)性療法以改善治療效果并預(yù)測(cè)未來(lái)復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn);此外,以原發(fā)性腫瘤對(duì)NAC的反應(yīng)特性作為主要結(jié)果的臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)加速了新藥的評(píng)估和批準(zhǔn)[28]。因此,在如今強(qiáng)調(diào)個(gè)體化治療的時(shí)代,NAC在TNBC中的意義愈發(fā)突出。
有研究[29]表明,約2/3的局部TNBC患者在NAC后出現(xiàn)殘留疾病,復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)很高。如何優(yōu)化化療應(yīng)用是TNBC研究領(lǐng)域的重要課題之一。TNBC患者NAC耐藥性的基因組和分子基礎(chǔ)至今尚不明確,部分原因可能是缺乏在罕見(jiàn)亞群中檢測(cè)及分析基因組信息的方法。因此,SCS技術(shù)由于前文所述優(yōu)點(diǎn),或可成為解決這一難題的有力工具,其具體應(yīng)用前景有以下幾個(gè)方面。
目前在TNBC的NAC領(lǐng)域一個(gè)重要課題就是如何在達(dá)到最大治療效果的同時(shí)盡可能地減少不必要的治療及藥物不良反應(yīng),從而使患者真正受益。腫瘤的異質(zhì)性是指腫瘤細(xì)胞增殖過(guò)程中不同時(shí)間、空間細(xì)胞遺傳物質(zhì)在復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的不同層面發(fā)生變化,導(dǎo)致子代細(xì)胞在基因型和表型中均存在差異,從而促進(jìn)腫瘤的進(jìn)化[30]。根據(jù)乳腺癌ER/PR/HER2表達(dá)譜及Ki-67標(biāo)記指數(shù)的不同,共分為5個(gè)亞型;而TNBC是所有亞型中突變數(shù)量最多的、具有廣泛瘤內(nèi)異質(zhì)性的腫瘤。
NAC后未達(dá)到病理學(xué)完全緩解的TNBC患者預(yù)后通常較差,可能與存在少數(shù)對(duì)傳統(tǒng)化療不敏感的TNBC細(xì)胞亞群有關(guān),從而導(dǎo)致后續(xù)轉(zhuǎn)移[4]。Navin等[19]應(yīng)用SCS對(duì)2例乳腺癌患者腫瘤中的100個(gè)單細(xì)胞進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)了3個(gè)不同的單克隆亞群,其中1個(gè)擴(kuò)增形成了原發(fā)腫瘤并由此導(dǎo)致播散轉(zhuǎn)移,該研究表明,乳腺癌的生長(zhǎng)是由于不間斷地克隆擴(kuò)增造成的。正是因?yàn)槿橄侔┎煌寺喨旱牟婚g斷生長(zhǎng),使得乳腺癌分化出不同的亞型。因此,運(yùn)用SCS技術(shù)精準(zhǔn)識(shí)別和表征這些不同的細(xì)胞亞型,可以監(jiān)測(cè)和指導(dǎo)TNBC靶向治療,從而有助于生存率的提高。
此外,SCS能夠發(fā)現(xiàn)具有潛在治療靶點(diǎn)的細(xì)胞亞群,在促進(jìn)個(gè)體化治療方面是一種很有前景的工具。來(lái)自哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究小組[31]應(yīng)用單細(xì)胞圖譜發(fā)現(xiàn)了TNBC的亞克隆異質(zhì)性和侵襲性疾病狀態(tài),研究人員通過(guò)對(duì)未治療的原發(fā)性TNBC的腫瘤細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞RNA測(cè)序,證實(shí)其具有細(xì)胞異質(zhì)性,并通過(guò)聚類(lèi)分析確定了5個(gè)不同的上皮細(xì)胞簇;其中第2簇具有較高的增殖能力,進(jìn)一步研究表明,該細(xì)胞簇與乳腺癌細(xì)胞起源的管腔祖細(xì)胞特征相關(guān),是一類(lèi)惡性細(xì)胞亞群,其快速增殖可能驅(qū)動(dòng)腫瘤進(jìn)展,從而導(dǎo)致TNBC較差的生存結(jié)果。另外,Chung等[32]利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)對(duì)11例乳腺癌患者的515個(gè)細(xì)胞進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)乳腺癌細(xì)胞在不同亞型和關(guān)鍵的癌癥相關(guān)通路上表現(xiàn)出瘤內(nèi)異質(zhì)性。
上述證據(jù)表明,SCS技術(shù)有助于加深我們對(duì)于TNBC腫瘤異質(zhì)性的理解,能夠在TNBC的NAC前發(fā)現(xiàn)瘤體中可能存在的惡性程度不同的腫瘤亞型以指導(dǎo)精確診斷,不僅有助于實(shí)現(xiàn)不同亞型的患者分類(lèi),選擇NAC受益群體,而且還可能為預(yù)后不良的TNBC患者提供潛在的預(yù)測(cè)因子或治療靶點(diǎn),從而有效指導(dǎo)TNBC的精準(zhǔn)治療。
TNBC是一種侵襲性亞型,容易對(duì)化療產(chǎn)生耐藥性,使其治療面臨重大挑戰(zhàn)。目前該領(lǐng)域有一個(gè)尚未解決的問(wèn)題,即化療耐藥是由于先前存在的稀有亞克隆的選擇和適應(yīng)而產(chǎn)生的(適應(yīng)性耐藥),還是通過(guò)誘導(dǎo)新突變而產(chǎn)生了新的化學(xué)耐受表型(獲得性耐藥)。這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)在細(xì)菌系統(tǒng)中研究了幾十年,但在大多數(shù)人類(lèi)癌癥中仍然知之甚少。
SCS的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了腫瘤內(nèi)遺傳異質(zhì)性在腫瘤發(fā)展進(jìn)化中發(fā)揮重要作用,并表明未經(jīng)治療的腫瘤內(nèi)遺傳異質(zhì)性是腫瘤耐藥的關(guān)鍵因素[30,33]。Kim等[34]應(yīng)用單細(xì)胞DNA和RNA測(cè)序分析了20例在NAC期間的TNBC患者的縱向樣本,發(fā)現(xiàn)TNBC耐藥基因型是先前存在的,并且是由NAC自適應(yīng)選擇,而TNBC患者化療后可自適應(yīng)地發(fā)生基因組突變和拷貝數(shù)畸變,并通過(guò)轉(zhuǎn)錄重編程進(jìn)化出耐藥表型,該研究通過(guò)SCS技術(shù)表明,TNBC患者的耐藥模型是由適應(yīng)性耐藥與獲得性耐藥共同建立。因此,運(yùn)用SCS技術(shù)有助于揭示TNBC在NAC中的耐藥發(fā)生機(jī)制,從而指導(dǎo)臨床醫(yī)師及時(shí)調(diào)整NAC方案,使TNBC患者獲得最佳治療效果。
此外,Lee等[35]將單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)分別應(yīng)用于未經(jīng)化療、對(duì)紫杉醇化療敏感以及對(duì)紫杉醇化療耐藥的轉(zhuǎn)移性乳腺癌中進(jìn)行研究,結(jié)果顯示,耐藥細(xì)胞含有38種特定的變異RNA,后者參與微管穩(wěn)定、細(xì)胞黏附和細(xì)胞表面信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),且耐藥細(xì)胞的基因表達(dá)譜與未處理細(xì)胞相似,只是在數(shù)量上翻了幾番。因此,SCS技術(shù)對(duì)于揭示細(xì)胞在藥物刺激下動(dòng)態(tài)的應(yīng)激反應(yīng)機(jī)制具有巨大潛力。
以上研究表明,SCS技術(shù)不僅可闡述腫瘤的耐藥機(jī)制,解釋部分TNBC患者NAC失敗和復(fù)發(fā)的原因,還預(yù)示著耐藥TNBC患者進(jìn)一步治療的潛在可能,提示SCS技術(shù)的應(yīng)用可為T(mén)NBC患者NAC耐藥的檢測(cè)與評(píng)估開(kāi)辟新道路,對(duì)于NAC過(guò)程具有重要意義。
TNBC是一種高侵襲性和轉(zhuǎn)移性的乳腺癌亞型,多項(xiàng)研究[36-38]表明,該亞型的患者在一線(xiàn)治療后有頻繁轉(zhuǎn)移和高復(fù)發(fā)率。探索和闡明乳腺癌腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移機(jī)制、發(fā)現(xiàn)NAC新靶點(diǎn)一直都是該領(lǐng)域研究者不遺余力追求的目標(biāo),而SCS技術(shù)或可為其提供有力工具。
乳腺導(dǎo)管原位癌(ductal carcinomain situ,DCIS)是一種早期乳腺癌,僅10%~30%的DCIS病例會(huì)進(jìn)展為浸潤(rùn)性導(dǎo)管癌(invasive ductal carcinoma,IDC)[39]。在分析DCIS患者大塊組織樣本的研究中很難精確區(qū)分克隆譜系。Casasent等[40]在2018年開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合激光彈射的單細(xì)胞DNA測(cè)序方法,將其應(yīng)用于10例同時(shí)患有DCIS和IDC患者的1 293個(gè)單細(xì)胞中,最終發(fā)現(xiàn)原位癌與侵襲性癌各亞群之間存在直接的基因組譜系,大多數(shù)突變和拷貝數(shù)畸變于侵襲前就在導(dǎo)管內(nèi)完成了進(jìn)化。Aceto等[41]將單細(xì)胞RNA測(cè)序用于乳腺癌骨轉(zhuǎn)移患者的外周血循環(huán)腫瘤細(xì)胞分析中發(fā)現(xiàn),雄激素受體(androgen receptor,AR)的剪接變異體AR-v7可組成性地激活A(yù)R信號(hào)通路,在乳腺癌骨轉(zhuǎn)移過(guò)程中發(fā)揮重要作用,因此推斷轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者可能受益于AR靶向治療。
以上研究表明,SCS技術(shù)不僅有助于發(fā)現(xiàn)TNBC侵襲和轉(zhuǎn)移中的亞克隆細(xì)胞群,還有利于探究有關(guān)其轉(zhuǎn)移的潛在分子機(jī)制,發(fā)現(xiàn)NAC中新的有效靶點(diǎn),有望為T(mén)NBC患者的NAC帶來(lái)新的突破。
乳腺癌中腫瘤浸潤(rùn)淋巴細(xì)胞(tumor infiltrating lymphocyte,TIL)的種類(lèi)和數(shù)量是改善患者生存的一個(gè)強(qiáng)有力的預(yù)后因素,特別是在TNBC中,TIL更具有療效預(yù)測(cè)作用[42]。Azizi等[43]對(duì)來(lái)自人類(lèi)乳腺癌中的6 311個(gè)T淋巴細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測(cè)序,結(jié)果表明,具有大量TIL的乳腺癌含有具有組織駐留記憶T(tissue-resident memory T,TRM)細(xì)胞分化特征的CD8+T細(xì)胞,這些CD8+TRM細(xì)胞表達(dá)高水平的免疫檢查點(diǎn)和效應(yīng)蛋白,與早期TNBC患者的生存改善顯著相關(guān)。進(jìn)一步了解TRM細(xì)胞的發(fā)育、維持和調(diào)控將是TNBC免疫治療成功的關(guān)鍵,而SCS技術(shù)在其中的應(yīng)用顯示出巨大潛力。
因此,SCS有助于更全面地了解免疫微環(huán)境在TNBC腫瘤進(jìn)化中的作用,探索腫瘤相關(guān)免疫細(xì)胞中較為關(guān)鍵的突變基因和表面標(biāo)記,從而便于發(fā)現(xiàn)TNBC的NAC過(guò)程中應(yīng)用免疫相關(guān)制劑的新靶點(diǎn);同時(shí),臨床上利用SCS技術(shù)對(duì)腫瘤免疫微環(huán)境進(jìn)行分析,以評(píng)估患者免疫治療效果[44],協(xié)助制定新的免疫治療反應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),由此或可推動(dòng)TNBC個(gè)體化治療進(jìn)入新階段。
SCS領(lǐng)域正在快速發(fā)展,為我們從單個(gè)細(xì)胞的精細(xì)角度了解腫瘤的遺傳、變異、發(fā)生、發(fā)展、侵襲和轉(zhuǎn)移等提供有力武器,對(duì)生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步發(fā)揮重要作用。尤其在乳腺癌精準(zhǔn)化、個(gè)體化治療方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景,對(duì)TNBC的NAC發(fā)展進(jìn)步更具深遠(yuǎn)意義。但是,任何一項(xiàng)技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)與不足,SCS技術(shù)及其衍生的相關(guān)技術(shù)也存在一定缺陷。首先,在單細(xì)胞分離提取過(guò)程中,準(zhǔn)確篩選目標(biāo)細(xì)胞且防止被污染仍然是一個(gè)挑戰(zhàn),且各單細(xì)胞分離技術(shù)都或多或少存在弊端,需要改善和提升的空間還很大。其次,在目標(biāo)分子擴(kuò)增和測(cè)序過(guò)程中,覆蓋范圍不均、噪音的存在、測(cè)序數(shù)據(jù)定量不準(zhǔn)等時(shí)有發(fā)生。此外,雖然SCS技術(shù)為T(mén)NBC患者NAC療效監(jiān)測(cè)帶來(lái)了福音,但由于生物信息學(xué)分析的驚人成本及高昂價(jià)格,使已經(jīng)承受著沉重疾病負(fù)擔(dān)的患者更加難以接受,從而在一定程度上限制了該技術(shù)在臨床上的廣泛應(yīng)用。因此,SCS作為一項(xiàng)新興技術(shù)目前尚面臨著一些挑戰(zhàn),但相信在不久的將來(lái),SCS技術(shù)將能夠攻破上述難題,真正造福于所有TNBC患者。