肿瘤的侵袭转移是肿瘤的重要恶性生物学表型，了解肿瘤细胞如何侵入和扩散到周围组织以及其他部位的机制可以帮助我们更好地理解肿瘤的发生和发展过程，从而为肿瘤的诊断、治疗和预后评估提供更科学、精准、个体化的解决方案。
今天小学社为大家带来一篇19分的肿瘤类器官侵袭性研究，本文由浅入深地探讨了肿瘤侵袭和转移的相关机制，发现了调控肿瘤侵袭的关键信号通路，并强调肿瘤微环境可能是调节这些通路的潜在因素。
胰腺导管腺癌（PDAC）的预后很差，约90%的患者在晚期会出现转移。尽管人们已经发现了早期胰腺肿瘤发生过程中的部分基因组变化，但促进肿瘤转移扩散的分子调控机制尚不完全清楚。
已知局部侵袭是转移的开始，但越来越多的证据表明存在另一种集体侵袭模式，在这种模式下癌细胞保留其上皮特征，并以多细胞簇进行传播。虽然这一现象很难在传统的体外或体内模型中重现，但3D类器官模型的最新进展已经能够实时观察乳腺癌和胰腺癌的集体侵袭。
本文主要进一步对PDAC的侵袭性类器官和非侵袭性类器官之间的转录组改变进行全面的评估，以阐明促进癌细胞侵袭的分子机制。同时研究人员将他们的发现与来自人类PDAC单细胞RNA测序数据联系起来，然后在另一个独立的人类PDAC类器官队列中验证了关键结果。该研究结果表明，集体和间充质的侵袭是通过两个不同的转录组程序协调的，并受到肿瘤细胞和周围微环境中的细胞之间的相互作用的影响。
1. 鉴定和分析侵袭性类器官
研究人员分离和培养了11个未接受新辅助化疗的人PDAC类器官，获得了8个间充质侵袭性类器官（间充质类器官）和4个集体侵袭性类器官（集体类器官）【有一例患者的肿瘤组织既培养出间充质类器官又培养出集体类器官】以及对应的11个非侵袭性类器官（图1）。
对这些类器官进行形态学差异的观察，发现和集体类器官相比间充质类器官平均侵袭性突起数量更高，且平均逆圆度得分更高（逆圆度分数表示与完美圆形的偏差，并且是侵袭性的指标）。
这些结果证明了间充质和集体类器官之间的形态学差异，并强调了我们人类PDAC类器官模型中定性和定量不同的侵袭模式，强调了该系统是研究PDAC侵袭分子机制的潜在强大工具。
图1 患者衍生的PDAC类器官表现出2种形态学上不同的侵袭表型
2. 在PDAC类器官中侵袭性类器官和非侵袭性类器官的转录组不同
研究人员对12个侵袭性类器官样本和来自同一原发性PDAC肿瘤的11个非侵袭性类器官样本进行RNA测序，发现来自同一患者的类器官基因聚类在一起，并且相同侵袭性形态的类器官具有共同的转录组特征。
进一步分析侵袭性和非侵袭性类器官的差异基因表达，发现553个基因有差异表达，其中在侵袭性类器官上调的393个基因中有MMP8、OLR1、COL7A1和SPOCK1等与侵袭相关的基因（图2）。
为了确认PDAC类器官中这些差异表达基因子集的蛋白质表达，研究人员利用免疫荧光分析SPOCK1、OLR1、泛细胞角蛋白(pan-CK)，来表明PDAC细胞在不同类器官和PDAC患者肿瘤组中的分布，发现SPOCK1和OLR1在集体和间充质类器官中染色更强，且在侵袭性突起中富集。该结果证实了SPOCK1和OLR1在人类PDAC细胞中的表达，并且它们的异质性表达与类器官中的模式一致。
图2 侵袭性和非侵袭性类器官转录组的比较揭示了在侵袭性突起中增强的差异表达基因
3. 侵袭性类器官可以分为3个不同的转录亚组，且每个转录组都具有独特的通路特征
为了进一步研究不同侵袭性类器官表型之间的转录组差异，研究人员分析了12个侵袭性类器官样本的转录组。发现侵袭性类器官根据转录组水平的差异可以分成3个转录亚组，即tG1（6个间充质类器官）、tG2（3个集体类器官）、tG3（2个间充质和1个集体类器官）。通过对比分析发现这与之前在原发性PDAC组织样本中报道的转录组亚型相对应，每个转录亚组中都具有独特的基因表达模式和独特的通路富集。
图3 侵袭性类器官可以分离为3个不同的转录亚组，且每个转录组都具有独特的通路特征
4. 接受新辅助化疗的患者的PDAC类器官显示出与未治疗的类器官类似的侵袭相关转录组
新辅助化疗越来越多地应用于PDAC患者的临床治疗，为了评估接受新辅助化疗患者的人类PDAC类器官的侵袭相关转录组学改变，研究人员从接受新辅助化疗的3例PDAC肿瘤组中分离和培养的侵袭性和非侵袭性类器官进行RNA测序。结果发现，这3例患者的类器官转录组均具有间充质表型，但是具有较低的逆圆度分数和较低的侵袭性突起。治疗组的侵袭性类器官和未治疗组的tG1类器官聚类，且治疗组侵袭性和非侵袭性类器官之间的差异基因（DE）和未治疗组中的DE重叠（图4）。
图4 接受新辅助化疗的患者的PDAC类器官显示出与未治疗的类器官类似的侵袭相关转录组
5. 在原代PDAC单细胞RNA测序数据中应用类器官的侵袭性转录组特征，发现不同侵袭性的肿瘤微环境中细胞组成不同
研究人员为了验证他们的类器官数据中确定的转录组是否可以转换为PDAC组织中已经公开的转录组数据，以tG1和tG2的最小基因集（间充质和集体）来定义患者，发现与低tG1组相比，tG1基因高表达的患者的总生存率明显降低（图5）。
接下来，为了评估转录组与肿瘤微环境特征的相关性，研究人员将tG1（6个间充质类器官培养）和tG2（3个集体类器官培养）的基因集应用于已发表的人类PDAC样本的scRNA-seq数据中，结果发现，表达tG2特征的肿瘤细胞在肿瘤微环境中的肿瘤细胞和T、B细胞的比例明显高于tG1组肿瘤，而tG1肿瘤的微环境中成纤维细胞的比例最高。
研究人员进一步研究了来自PDAC scRNA-seq数据集的tG1、tG2和两者肿瘤的肿瘤微环境组成，发现了这些肿瘤组之间炎症和肌成纤维细胞癌相关成纤维细胞(iCAF和myCAF)富集的差异，tG1组肿瘤myCAF比例更高，而tG2肿瘤中iCAF更高。
最后研究人员在临床样本中利用IHC检测了各类细胞在PDAC肿瘤组织中的分布，发现产生集体类器官的PDAC的T细胞密度明显高于产生间充质类器官的PDAC；相反，产生间充质类器官的PDAC具有更高的肌成纤维细胞密度。
图5 将类器官侵袭特征应用于原发性PDAC 单细胞RNA测序数据揭示了肿瘤微环境中的不同细胞组成
6. 分析和评估tG1肿瘤中成纤维细胞和肿瘤细胞之间的配体-受体相互作用
为了识别可能促进tG1中转录组特征的成纤维细胞中的配体，研究人员使用NicheNet进行了配体-靶基因配对分析，并在12个人类 PDAC 类器官（8个间充质侵袭型类器官、3个集体侵袭型类器官、1个混合型类器官）培养物中评估TGFB1、IL6、CXCL12 和 MMP9这4个配体对类器官侵袭性的影响。结果表明TGFB1、IL6、CXCL12 和 MMP9这4种配体的刺激不影响各种类器官的比例，但是促进逆圆度分数。
最后对来自这12名患者的所有配体处理的类器官培养物中来自tG1和tG2的3个基因进行了定量PCR (qRT-PCR)，发现了tG1基因的上调和tG2基因的下调，且IL6处理导致了侵袭性表型的显著增强。
图6 鉴定和实验评估成纤维细胞和属于tG1的肿瘤细胞之间独特的配体-受体相互作用
本研究利用了一个大规模的人类PDAC类器官队列，通过类器官研究和转录组分析确定了促进侵袭的分子机制。研究人员确定了与形态学定义的类器官侵袭模式相一致的转录组群体，并通过与原发性PDAC单细胞RNA-seq数据的相关性，从非肿瘤细胞中确定了增强类器官模型侵袭的特定配体。
综上所述，该研究结果揭示了促进人类胰腺癌侵袭的分子和细胞的变化，为抑制胰腺癌的侵袭提供了理论基础和潜在治疗靶点。
参考文献：
Jeong, Yea Ji et al. “Morphology-guided transcriptomic analysis of human pancreatic cancer organoids reveals microenvironmental signals that enhance invasion.” The Journal of clinical investigation vol. 133,8 e162054. 17 Apr. 2023, doi:10.1172/JCI162054
来源：类器官学社
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