利用可记录条形码的克隆谱系追踪揭示前列腺癌转移的迁移历史

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克隆谱系追踪 前列腺癌转移 条形码 肿瘤进化 小鼠模型 肿瘤异质性

title: “利用可记录条形码的克隆谱系追踪揭示前列腺癌转移的迁移历史” author: Ryan N. Serio, Armin Scheben, *Billy Lu, *Domenic V. Gargiulo, Lucrezia Patruno, Caroline L. Buckholtz, Ryan J. Chaffee, Megan C. Jibilian, Steven G. Persaud, Stephen J. Staklinski, Rebecca Hassett, Lise M. Brault, Daniele Ramazzotti, Christopher E. Barbieri, Adam C. Siepel, #, Dawid G. Nowak journal: Cancer Discovery

date: July 16, 2024

前言

前列腺癌（Prostate Cancer, PCA）的早期诊断和治疗策略的制定，依赖于对肿瘤转移过程的深刻理解。然而目前，对前列腺癌初始肿瘤向转移部位扩散的模式尚不明确。因此，研究团队基于PCR/Cas9条形码技术，设计并验证了嵌合细胞系追踪术，用于揭示转移性前列腺癌的动态迁移历史，提供一种新的视角以理解肿瘤克隆的演变和迁移途径。

研究背景及论文来源

这篇学术论文的作者来自Weill Cornell Medicine、Cold Spring Harbor Laboratory和University of Milano-Bicocca等多个著名研究机构，发表于知名期刊《Cancer Discovery》。主要作者包括Ryan N. Serio、Armin Scheben、Billy Lu、Domenic V. Gargiulo、Lucrezia Patruno、Caroline L. Buckholtz等人。这篇文章探讨了前列腺癌转移的机理，并解释了前列腺癌的转移模式如何影响疾病的进展及其治疗策略的发展。

研究流程

实验模型及方法

论文中使用了一种新型注射小鼠模型，称为EvoCaP（进化中的前列腺癌），该模型具备高度侵袭性的骨、肝、肺及淋巴结转移特性。为了追踪初始肿瘤与转移部位之间的迁移历史，研究团队使用EvoTracer管道追踪包含可记录条形码的不同肿瘤克隆。

  1. 建模过程：

    • 在EvoCaP小鼠模型中，通过lentiviral注射在前列腺内引入基因变化，诱导前列腺癌。具体过程包括：
      • 共删除Pten和Trp53基因，这是在转移性疾病患者中常见的基因组合。
      • 通过积累的可遗传条形码（BC10）实现对癌症演变的追踪。

  2. 数据采集与分析：

    • 使用包含多种基因编辑引物的合成条形码BC10，通过《Evotracer》软件包进行定量分析。
    • 分析显示了高程度的克隆异质性，定义了在前列腺和转移部位之间的创始克隆群（CPs）。
    • 利用群体平滑技术和《Cassiopeia》算法，结合Machina软件来推导迁移历史。

  3. 实验结果：

    • 通过在经基因遗传处理的老鼠体内从前列腺注射条形码病毒来检测并对癌症克隆进行追踪，发现了一大批高异质性的克隆群。
    • 检测到许多共享的Cas9编辑事件（标干突变），定义了在前列腺和转移部位之间的创始CP。
    • 少数高侵袭性的克隆在迁移过程中发挥了主要作用，而大量肿瘤细胞在转移部位内保持不动。

实验细节与方法的创新

EvoCaP模型是研究团队设计的一种新型突变小鼠模型，其特点在于通过体内基因遗传处理（例如使用lentiviral注射）来模拟人类前列腺癌的演变和转移。研究人员使用的条形码记录系统BC10也为该实验增添了显著的创新性，使得可以在长时间内精准追踪癌症克隆的演变和迁移历史。

  1. EvoCaP模型的构建：

    • 在小鼠前列腺中通过lentivirus注射导入Cre重组酶和萤火虫荧光素酶（Fluc）的表达，导致Pten和Trp53基因的局灶性丧失。
    • 这种诱导机制有效地模拟了人类前列腺癌，从一个初始病灶到骨、肺、肝甚至淋巴结的转移。

  2. 记录条形码（BC10）系统：

    • BC10条形码包含10个20核苷酸的Cas9靶位点，并通过机器学习（cutting frequency determination, CFD）评分算法进行设计，确保其高效编辑功能。
    • 通过整合的BC10条形码记录积累的遗传标记，使得可以长时间内观察到克隆群体间复杂的演变关系。

  3. 数据采集与分析：

    • 采用高灵敏度的定量分析，通过EvoTracer软件包，利用包括Cassiopeia和Machina在内的先进生物信息分析工具，重构了克隆树并推断出潜在的迁移轨迹。
    • 实验中注射的病毒剂量和沉默外来基因的能力，保证了动物模型的稳定性和数据的一致性。

主要结果

实验结果表明，在这项研究中： - 初始肿瘤的多克隆特性显著，高侵袭性的克隆在扩展其生态位的过程中起主要作用。 - 克隆异质性反映了从前列腺到远端转移部位的基本迁移模式。转移过程主要是直线传播，很少发生转移到转移之间的传播事件。 - 发现了一些特殊的转移模式，例如从前列腺部位到骨、肝、肺等部位的直接（primary-to-metastatic）转移。

这些数据表明，少部分优势克隆通过迁移逐渐扩展分布，并且能够克服使它们停留在原位的约束条件，从而表现出高侵袭性和垄断性。

结论

研究的意义

这项研究的重要性在于： - 提供了对前列腺癌转移的详细了解，揭示了肿瘤克隆是如何在体内不同部位演变和迁移的。 - 该研究使用的EvoCaP模型和条形码追踪技术，展示了其识别肿瘤克隆群体并推测其迁移路径的潜在能力。 - 这些发现对开发前列腺癌的新治疗方法具有深远意义。

重要发现

研究强调了前列腺癌的系统性特征，由一些高度侵袭性的克隆驱动，并表现出复杂的迁移扩展模式。这些高侵袭性克隆能够克服生理上的障碍，从而扩展至更远的转移部位，提供了一种系统性疾病的新视角。

方法及流程的新颖性

研究中采用的EvoCaP模型，是一个新颖的基因处理方法，允许在小鼠体内精确模拟人类前列腺癌的演变。记录条形码（BC10）系统进一步提高了追踪肿瘤克隆演变的效率和准确性，显示了在癌症研究中的巨大潜力。

EvoCaP模型及条形码追踪平台证实了其在研究前列腺癌迁移和扩展方面的有效性和创新性。这些技术和方法不仅可以应用于前列腺癌，还可以扩展至其他类型的癌症及疾病研究，为学术界和临床实践提供了宝贵的工具和视角。