2024年2月29日，來(lái)自美國(guó)德克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥中心的王凌華教授和Humam Kadara教授的合作團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表了標(biāo)題為“An atlas of epithelial cell states and plasticity in lung adenocarcinoma.”的這一研究成果，在早期肺腺癌組織和癌旁區(qū)域發(fā)存在一群攜帶KRAS致癌基因突變的，KRT8表達(dá)陽(yáng)性的肺泡中間態(tài)細(xì)胞，并證實(shí)了這種細(xì)胞最終可轉(zhuǎn)化為肺腺癌細(xì)胞。

肺癌是全世界癌癥死亡率最高的惡性腫瘤之一， 其中肺腺癌（Lung adenocarcinoma, LUAD）為最常見(jiàn)的組織學(xué)類(lèi)型。雖然近年來(lái)早期檢測(cè)手段的進(jìn)步使得越來(lái)越多的肺腺癌患者能夠得到早期診斷，但治療手段的預(yù)后效果仍然不夠理想，還亟需改善。單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的廣泛應(yīng)用助力了癌癥研究，但已有的肺腺癌單細(xì)胞研究存在諸多不足，例如樣本數(shù)量和樣本類(lèi)型有限，單細(xì)胞測(cè)序規(guī)模較小等。為找到新的治療方法和制定早期干預(yù)策略，我們需要深入了解肺腺癌早期發(fā)生發(fā)展的細(xì)胞機(jī)制。區(qū)域癌化模型是一個(gè)能夠有力解釋肺腺癌起源的模型。模型認(rèn)為，在多種內(nèi)外因素（吸煙，紫外線(xiàn)，基因突變，染色體變異等）的共同作用下，即使在沒(méi)有典型癌癥特征的組織區(qū)域，也可能存在基因組，轉(zhuǎn)錄組以及表觀遺傳組的分子水平改變的細(xì)胞。這些區(qū)域隨時(shí)間推移可能會(huì)發(fā)展成腫瘤。

鑒于此，通過(guò)對(duì)早期肺腺癌病人進(jìn)行以腫瘤為中心的多點(diǎn)，梯度取樣，綜合利用單細(xì)胞測(cè)序及空間轉(zhuǎn)錄組等技術(shù)手段研究細(xì)胞狀態(tài)和腫瘤微環(huán)境的改變，將有助于理解肺腺癌發(fā)生的生物學(xué)機(jī)制，尋找新的治療靶點(diǎn)，并為肺腺癌的早期干預(yù)及新治療方法的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

美國(guó)德克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥中心的王凌華教授和Humam Kadara教授的合作團(tuán)隊(duì)在早期肺腺癌組織和癌旁區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一群攜帶KRAS致癌基因突變且KRT8表達(dá)陽(yáng)性的肺泡中間態(tài)細(xì)胞（KRT8+ alveolar intermediate cells，KACs）。通過(guò)和Jichao Chen教授合作，該團(tuán)隊(duì)在基因工程小鼠模型中對(duì)肺泡上皮細(xì)胞進(jìn)行了譜系標(biāo)記和追蹤，并證實(shí)了KACs最終可轉(zhuǎn)化為肺腺癌細(xì)胞。這項(xiàng)突破性的研究不僅為開(kāi)發(fā)針對(duì)早期肺腺癌的檢測(cè)和預(yù)防策略提供了新的啟示，也為推動(dòng)在最早階段檢測(cè)甚至阻斷肺腺癌的發(fā)展開(kāi)辟了新的研究方向。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析工作流程的示意圖概述

在這項(xiàng)研究中，研究人員收集了16名肺腺癌患者的63個(gè)組織樣本，包含16個(gè)癌樣本和47個(gè)非腫瘤樣本（在距離腫瘤三個(gè)不同的空間位置梯度取樣），研究組對(duì)全部樣本進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測(cè)序，并對(duì)16個(gè)腺癌樣本進(jìn)行了全外顯子組測(cè)序。這項(xiàng)研究工作是迄今為止關(guān)于早期未治療的肺腺癌在上皮細(xì)胞規(guī)模和整合數(shù)據(jù)類(lèi)型上最大和最全面的單細(xì)胞研究。在鑒定出正常上皮細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞后，研究人員首先刻畫(huà)了早期肺腺癌中腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性及具有KRAS突變的肺腺癌獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄特征。其次，更深入地分析揭示了腫瘤細(xì)胞，尤其是帶有KRAS突變的腫瘤細(xì)胞與正常上皮細(xì)胞之間的關(guān)系。結(jié)果顯示一種肺泡中間態(tài)細(xì)胞在腫瘤樣本中顯著富集，而且該種細(xì)胞的去分化水平顯著升高，提示了這群細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞的密切關(guān)系。由于KRT8基因高表達(dá)是這種細(xì)胞的顯著特征之一，研究者將其命名為KACs（KRT8+ alveolar intermediate cells）。

通過(guò)使用基因工程小鼠模型，通過(guò)對(duì)單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)的分析以及免疫熒光染色技術(shù)分析，研究者證實(shí)了小鼠模型中存在表達(dá)特征與KACs相匹配的細(xì)胞類(lèi)群并將其命名為小鼠KACs。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)小鼠KACs的出現(xiàn)早于KRAS突變型腫瘤的出現(xiàn)，提示KACs可能是一種"前體中間態(tài)細(xì)胞"。通過(guò)對(duì)肺腺癌癌病人及小鼠的單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)的擬時(shí)分析，研究者推測(cè)KACs可能來(lái)源于2型肺泡細(xì)胞。

為了驗(yàn)證該假設(shè)，研究者設(shè)計(jì)了能夠追蹤報(bào)告2型肺泡細(xì)胞來(lái)源（GFP標(biāo)記）的基因工程小鼠，通過(guò)對(duì)GFP標(biāo)記的細(xì)胞類(lèi)群（2型肺泡細(xì)胞來(lái)源）進(jìn)行單細(xì)胞測(cè)序分析，鑒定出了包括2型肺泡細(xì)胞 ，KACs細(xì)胞，1型肺泡細(xì)胞，以及腫瘤細(xì)胞的多種細(xì)胞群。研究者還利用GFP標(biāo)記的2型肺泡細(xì)胞培養(yǎng)了類(lèi)器官（organoids）并進(jìn)行了多重免疫熒光染色分析， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示煙草致癌物（Nicotine-derived nitrosamine ketone， NNK）處理組的類(lèi)器官樣本具有更高的KACs特征基因的表達(dá)。這些結(jié)果驗(yàn)證了KACs的2型肺泡細(xì)胞來(lái)源并顯示了NNK暴露與KACs高度相關(guān)，揭示了KACs和肺組織損傷以及腫瘤細(xì)胞生成的密切關(guān)系。

最后，研究者使用譜系追蹤（lineage tracing）技術(shù)來(lái)回答此項(xiàng)研究的最終問(wèn)題：KACs是否能轉(zhuǎn)化成肺腺癌細(xì)胞。研究者使用免疫熒光染色技術(shù)分析了來(lái)自NNK暴露（處理組）、NNK暴露后8至12周（跟進(jìn)觀察組）和腫瘤的樣本。通過(guò)對(duì)比小鼠三組樣本的免疫熒光分析結(jié)果，研究人員發(fā)現(xiàn)腫瘤樣本中絕大多數(shù)的細(xì)胞為2型肺泡細(xì)胞來(lái)源的，經(jīng)過(guò)KACs細(xì)胞狀態(tài)（Krt8+Lamp3+）的細(xì)胞。此外，腫瘤樣本中Krt8（KACs的標(biāo)記基因之一）蛋白表達(dá)信號(hào)增強(qiáng)。譜系追蹤模型小鼠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了2型肺泡細(xì)胞來(lái)源的KACs參與了肺腺癌細(xì)胞的產(chǎn)生。

這項(xiàng)大規(guī)模的多組學(xué)整合研究發(fā)現(xiàn)了KACs細(xì)胞在早期KRAS突變的肺腺癌中的重要作用，并使用轉(zhuǎn)基因工程小鼠模型系統(tǒng)性地驗(yàn)證了KACs為來(lái)源于2型肺泡細(xì)胞的中間狀態(tài)細(xì)胞，在2型肺泡細(xì)胞參與肺損傷修復(fù)，補(bǔ)充1型功能性肺泡細(xì)胞的生物學(xué)過(guò)程中，參與了KRAS突變型的肺腺癌細(xì)胞的產(chǎn)生過(guò)程。這項(xiàng)研究揭示了肺腺癌發(fā)生過(guò)程和上皮細(xì)胞可塑性的重要聯(lián)系，為肺腺癌的預(yù)防和早期干預(yù)提供了潛在的研究靶點(diǎn)。

文章來(lái)源：

Guangchun Han, Ansam Sinjab, Zahraa Rahal et al,An atlas of epithelial cell states and plasticity in lung adenocarcinoma. https://www.nature.com/articles/s41586-024-07113-9/figures/1