综述 | Nat.Rev.Genet | 整合模型系统与基因组学见解以破译癌症转移机制

Basic Information

• 英文标题：Integrating model systems and genomic insights to decipher mechanisms of cancer metastasis
• 中文标题：整合模型系统与基因组学见解以破译癌症转移机制
• 发表日期：10 March 2025
• 文章类型：Review Article
• 所属期刊：Nature Reviews Genetics
• 文章作者：Michelle M. Leung | Nicholas McGranahan
• 文章链接：https://www.nature.com/articles/s41576-025-00825-2

Abstract

Para_01

1. 解读转移过程对于理解癌症的发展及潜在治疗方案至关重要。
2. 通过构建模拟转移性疾病的模型系统（包括类器官、基因工程小鼠和人类细胞系）所进行的遗传学研究，在加深我们对转移级联过程及其调控机制的理解方面发挥了重要作用。
3. 最近，高通量测序技术的进步使得人类转移病灶能够在单细胞和单核苷酸分辨率下被研究，从而揭示了癌细胞和免疫细胞在转移过程中的演化规律及其表型特征。
4. 然而，人类组织研究通常具有相关性和描述性，而实验模型本质上是简化的，这意味着应谨慎解读单独的研究结果。
5. 关键在于，这些看似截然不同的转移研究分支可以而且应该相互补充，以加强和验证研究成果。
6. 在此，我们探讨了模型系统与测序研究之间的协同作用，并概述了为深入理解转移过程必须进一步探索的关键领域。

Introduction

Para_01

1. 大多数与癌症相关的死亡都可以归因于转移过程，即癌细胞突破其原始肿瘤部位的限制并侵袭其他组织的现象。
2. 转移通常包括侵袭、内渗、循环、外渗和定植等关键阶段。
3. 在这些阶段中，肿瘤细胞获得侵袭性表型，进入并经由血液系统迁移，最终侵入远端器官位点形成继发性转移灶。
4. 更深入地了解转移背后的基本机制——癌细胞如何偏离正常的生长、运动机制以及与环境的相互作用——可以揭示用于转移性疾病检测、干预和治疗的潜在靶点和时机。
5. 同时还能提供有关所涉及细胞类型‘正常’生物学特性的新见解（见图1）。

Fig. 1: Overview of the synergism between omics analyses and experimental models in metastasis research.

- 图片说明

◉ 通过将来自人群队列的组学数据（包括基因组学和转录组学，涉及长读长DNA测序、单细胞RNA测序和空间转录组学）到蛋白质组学和代谢组学的分析结果，与实验系统（包括基因工程小鼠模型、细胞培养、类器官模型和器官芯片平台）的功能性结果相结合，可以推动转移研究的进展。◉ 这种多方法的整合有助于更好地理解决定转移进程的关键因素——肿瘤细胞的转移潜能、上皮-间质转化、肿瘤微环境（TME）的影响以及肿瘤细胞的扩散机制，从而旨在发现更有效的疾病预防、检测和治疗靶点。

Para_02

1. 类器官、基因工程小鼠、人类细胞系和器官芯片平台等实验系统，有助于阐明相互关联且有序发生的生物学过程，这些过程共同促成了转移级联反应。
2. 这些方法不仅揭示了转移过程中癌细胞内在的变化，也展示了它们与外部因素的相互作用，例如免疫系统的细胞和细胞外基质（ECM）。
3. 许多来自实验模型的研究结果支持转移的‘种子与土壤’理论，该理论认为肿瘤细胞‘种子’需要合适的微环境或‘土壤’才能实现转移性生长。

Para_03

1. 最近，从基因组学和转录组学到蛋白质组学和代谢组学，高通量组学技术的进步使得研究人员能够利用人体组织样本以日益精确的分辨率研究癌症及其转移现象。
2. 特别是基因组分析提供了证据，支持癌症（因此转移也是一个演化过程）这一理论。
3. 通过多组学研究（例如，对同一份样本进行DNA和RNA测序）以及对人体原发肿瘤及其对应转移灶的配对分析，我们现在能够估计转移在分子时间尺度上发生的时间、其克隆起源，以及两个转移灶之间，以及转移灶与其原发肿瘤之间的分子关系。
4. 这些肿瘤特征可能可以预测疾病的进展。

Para_04

1. 因此，转移研究本身正如疾病本身一样处于不断进化的进程中，其中实验模型方法和通过日益先进的测序技术对人类数据的分析正在并行发展，并且也能够相互补充。
2. 例如，当应用于日益庞大的人群数据队列时，组学方法可以填补模型研究所遗留的知识空白，并反过来提出新的问题。
3. 相反地，目前主要具有描述性质的组学数据需要在合适的模型系统中进行实验验证，以确认其发现并确定特定因素对转移的各自贡献。

Para_05

1. 本综述探讨了转移的实验模型与通过测序技术对人类转移样本进行分析之间的相互关系，并结合我们现有癌症转移知识中的广泛实例进行说明。
2. 针对转移进展的主要过程，我们评估了每种方法所带来的优势以及具有代表性的关键发现。
3. 我们还评估了目前仍存在的知识空白，这些空白需要进一步研究加以填补，并讨论了实验模型和基因组学方法之间结果出现的差异，这些差异需要厘清，以便更好地理解转移这一复杂过程。

The ‘metastatic potential’ of tumours

Para_01

1. 并非所有肿瘤都会转移，因此重要的是要将不会转移的细胞与那些具有转移‘潜力’的细胞区分开来。
2. 转移的标志物对于成功的定植至关重要，这些标志物包括增强的运动能力以及调控微环境的能力。

Heterogeneity of metastases

转移灶的异质性

Para_01

1. 模型系统已被广泛用于研究细胞运动性增强在促进转移表型中的作用，尤其是在诸如秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）这样的‘简单’生物体中，这归因于其易于操作和观察。
2. 尽管其中一些简单生物体缺乏淋巴管和血管，因此不能完全重现人类转移性癌症的扩散过程，但人们已经揭示了许多与转移细胞生物学相关的基本机制。
3. 例如，通过对秀丽隐杆线虫进行活体成像发现，在转移性侵袭和迁移的早期步骤中，细胞会侵入基底膜。
4. 在另一项关于秀丽隐杆线虫的研究中表明，侵袭性表型（包括侵袭伪足的形成）与G1期细胞周期阻滞有关。
5. 这种侵袭的‘代价’意味着转移性细胞要么‘移动’要么‘增殖’；因此，当细胞以集体方式迁移时，成功侵袭的可能性更大。
6. 在这种情况下，‘领导者’和‘跟随者’具有不同的表型（侵袭性与增殖性），彼此互相支持。
7. 在鳞状细胞癌细胞的体外培养系统中，集体迁移得到了由成纤维细胞介导的细胞外基质重塑的帮助，成纤维细胞为癌细胞形成了可供追随的‘轨迹’，这强调了肿瘤微环境（TME；后续部分将详细综述）在决定转移过程中的作用。
8. 这些实验模型所显示的异质性细胞群具有更高转移潜能的结果，得到了对原发肿瘤和转移灶配对人体样本进行基因组分析的支持，分析表明转移灶往往是多克隆的，由遗传上异质的癌细胞群体组成，反映了多次播种事件或遗传特征不同的细胞共同迁移的现象。

Genomic instability of metastases

转移灶的基因组不稳定性

Para_01

1. 涉及大量群体的全基因组或单细胞基因组测序数据的研究强调了基因组不稳定性在获得转移潜能过程中的作用。
2. 例如，在一个包含超过25,000名转移性疾病患者的泛癌种队列中，与同类型原发肿瘤相比，多种癌症类型的转移灶中全基因组加倍事件和拷贝数变异的数量有所增加。
3. 这些研究还表明，存在有限证据支持存在一种普遍的、仅在转移转化时发生的遗传驱动因素。
4. 相反，在原发肿瘤中赋予适应性优势的驱动事件也经常在转移部位被选择保留。
5. 例如，有助于产生更具侵袭性表型的遗传驱动事件，如MYC扩增、TP53突变和CDKN2A缺失，在转移性队列中富集。
6. 然而值得注意的是，大多数这些大规模队列研究分析的是未配对的原发和转移样本；
7. 分析配对的原发-转移样本队列可以区分那些发生在原发肿瘤中可能增加转移倾向的驱动变异，以及真正独特的转移特异性遗传驱动事件。
8. 例如，在TRACERx（通过治疗追踪癌症进化）非小细胞肺癌（NSCLC）队列中，发现有33%的样本存在肺癌相关基因的独特转移突变。

Para_02

1. 基因组不稳定性在转移起始中的作用，正如测序研究所表明的那样，在体内得到了更详细的检验。
2. 在一个人类三阴性乳腺癌的小鼠模型中，观察到高染色体不稳定性的基因特征与参与上皮-间质转化（EMT）的基因表达相关联，这一过程介导了转移细胞的迁移和侵袭行为（将在下一主要章节中综述）。
3. 据推测，染色体错误分离可能导致DNA释放到肿瘤细胞的细胞质中，从而激活cGAS–STING先天免疫信号通路，引发炎症反应并促进EMT。

Patterns of dissemination

传播模式

Para_01

1. 由于扩散的肿瘤细胞可能存在潜在的休眠状态（在后续章节中会有综述），通过实验模型推导转移性扩散的相对分子时间十分困难，但可以通过对人类肿瘤样本进行测序来推断。
2. 一种方法是比对成对的原发和转移性肿瘤样本之间的体细胞遗传变异。
3. 转移的时间在临床上具有重要意义，因为在肿瘤演化早期就扩散的转移灶可能与原发肿瘤共享的突变很少，因为两者在转移发生后还会继续演化。
4. 原发性和转移性肿瘤之间的这种差异可能导致治疗效果减弱，特别是当可靶向的遗传改变在转移灶中为亚克隆或缺失时。

Para_02

1. 直观上，不同癌症类型具有不同的扩散模式。
2. 例如，一项研究显示，在结直肠癌（CRC）队列中，有81%的个体在原发肿瘤大小低于检测阈值时就已发生早期转移扩散，而在非小细胞肺癌（NSCLC）的多区域TRACERx队列中，这一比例仅为25%。
3. 有趣的是，在同一篇NSCLC的研究中还指出，取样偏差可能导致将肿瘤错误地归类为早期扩散；实际上，如果在仅对肿瘤单个区域进行下采样后重复相同的计算，则83%的晚期扩散NSCLC肿瘤会被误判为早期扩散。
4. 一方面，这种比较突出了进行多区域或代表性取样的必要性，以便更准确地反映肿瘤内部异质性。
5. 另一方面，它也揭示了在定义‘早期扩散’时领域中存在的差异——这种定义可以基于物理肿瘤大小，也可以通过遗传差异的分子指标来判断。
6. 在比较研究中这一点很重要：已在小肿瘤中观察到转移灶中含有大量体细胞突变（这从分子角度定义为晚期扩散肿瘤），而这些小肿瘤根据尺寸被定义为早期扩散肿瘤；甚至在肿瘤启动之前也可观察到此类现象。
7. 因此，基于肿瘤大小推断出的早期扩散可能与基于体细胞突变推断出的晚期扩散相一致。

Para_03

1. 除了转移的时间之外，考虑转移的部位（转移性器官趋向性）也很重要。
2. 例如，通过对超过2,000个肺腺癌样本的测序分析发现，新辅助治疗与中枢神经系统转移显著相关。
3. 而原发肿瘤中SMARC4变异的富集可能破坏染色质可及性和核小体占据，这与骨转移高度相关。
4. 此外，在初始测序时未发生转移的患者中，其原发肿瘤中的SMARC4失活与从原发肿瘤到骨转移时间的缩短相关。
5. 测序研究所揭示的转移性器官趋向性模式可以在实验系统中再现，从而提供更深入的机制见解。
6. 例如，将带有条形码的乳腺癌细胞系注射到免疫缺陷的小鼠体内后，可以追踪这些细胞系以绘制它们的扩散模式。
7. 尽管这一系统不像使用人源化小鼠那样能够反映肿瘤细胞与免疫系统之间潜在的相互作用，但它可能为创建一个指导治疗和预防的“转移图谱”铺平道路。

Phylogeny of dissemination

传播的系统发育

Para_01

1. 转移可以源自原发肿瘤内的单一亚克隆（单克隆播散），也可以源自多个亚克隆（多克隆播散）。
2. 这些播散模式可以通过代表个体转移性疾病克隆时间结构的肿瘤系统发育树进行可视化展示。
3. 然而，转移灶本身也能够进一步播种其他转移灶，这为转移迁移增加了另一层复杂性。
4. 目前研究人员正在开发计算和数学模型，以从基因组数据中推断播散模式。
5. 尽管如此，由于测序深度不足、样本质量差（例如使用尸检组织）以及对肿瘤的整体采样不足，这类预测仍存在不确定性。
6. 事实上，采样不足可能会限制对多克隆播散的检测。
7. 例如，对一组人类乳腺癌病例的重新分析表明，最初得出的多克隆播散模式结论可能是不正确的，而单克隆种植才是更为合理的解释。
8. 未来，通过对肿瘤进行更充分的空间和时间采样，包括开展尸检研究和通过循环肿瘤DNA分析进行纵向采样，以及结合其他类型的数据如表观基因组学、转录组学和临床影像数据，有望改善基于基因组研究对转移迁移模式的预测。

Para_02

1. 目前的人类组学数据集并未捕捉到转移性疾病的完整过程，而仅是肿瘤在取样时间点的快照。
2. 通过使用实验模型系统，例如谱系示踪（lineage tracing）（见图2），可以克服这一限制。
3. 例如，在Confetti小鼠中通过多色谱系示踪方法，连续成像观察多色转移瘤支持了多克隆扩散假说。
4. 其他多色谱系示踪研究，在乳腺癌和胰腺癌转移的基因工程小鼠模型中也显示了非连续播种来源的多克隆转移。
5. 另一种实验方法是利用CRISPR–Cas9系统在单个肿瘤细胞中诱导独特的遗传‘疤痕’，从而实现对单细胞谱系的高分辨率分子记录。
6. 使用这种方法的研究表明，在肉瘤的小鼠模型中，肺转移灶来源于一个单一的主要亚克隆。
7. 随后在多个时间点对转移灶进行单细胞测序，使得转移的系统发育重建、转移路径追踪以及遗传驱动事件的识别成为可能。
8. 谱系示踪研究还可用于探索癌症发展过程中偶然进化与趋同进化的作用。

Fig. 2: Predicting and visualizing metastatic dissemination patterns from human omics data and experimental models.

- 图片说明

◉ 通过对人体肿瘤样本进行测序，并利用计算方法，可以推断出转移扩散的模式，并重建转移的进化历史和分子时间。◉ 此类推断的准确性在对肿瘤进行多区域取样时会得到提高。◉ 在小鼠模型（如Confetti小鼠）和重复细胞系中进行谱系追踪，并结合连续成像技术，可以可视化这些扩散模式。◉ 这为先前的一些推断（如多克隆扩散）提供了证据支持。

Epithelial and mesenchymal transitions

Para_01

1. EMT（上皮-间质转化）以及间质-上皮转化过程涉及正常形态发生调控的失调，在转移起始和定植过程中分别几乎参与了所有的转移性疾病。

EMT

紧急医疗技术员

Para_01

1. 转化生长因子β（TGFβ）是实验模型系统中研究最透彻的上皮-间质转化（EMT）诱导因子之一，能够在体外诱导多种类型的上皮细胞发生EMT。
2. 在人类肺细胞培养物中，这种现象表现为间充质细胞状态标志物（如波形蛋白）表达水平的增加，以及通过伤口愈合和Matrigel侵袭实验所观察到的迁移能力增强。
3. 对人类肺细胞系的亚硫酸氢盐测序表明，TGFβ诱导的EMT是通过SNAIL1启动子区域内的去甲基化作用实现的。
4. 这种表观遗传学改变导致了SNAIL1的过表达，SNAIL1是一种EMT诱导因子，此前已被发现能够抑制上皮细胞关键标志物E-钙黏蛋白的表达。

Para_02

1. 外部因素，包括空气污染物，也会在转移过程中促进上皮-间质转化（EMT）。
2. 在体内小鼠模型和体外人肺癌细胞系中的持续暴露于细颗粒物（直径小于2.5微米，称为PM2.5）导致参与EMT的基因表达增加，其中包括PI3K-AKT通路和JAK-STAT通路的基因，这两个通路均为表皮生长因子受体（EGFR）的下游效应器。
3. 这种信号通路可能由巨噬细胞表达并分泌的前肝素结合EGF样生长因子诱导。
4. 最近的研究证据表明，在暴露于PM2.5后，肺部巨噬细胞浸润会持续增加。
5. 这些结果得到了转录组数据的支持，数据显示PM2.5暴露会导致招募巨噬细胞的相关基因上调，从而为上世纪80年代首次观察到的一种现象提供了分子解释：二氧化氮（另一种形式的空气污染）能够增加肿瘤向小鼠肺部转移的频率和效率。

Para_03

1. 有趣的是，有有限的证据表明，在某些癌症类型中，上皮-间质转化（EMT）可能是非必需的。
2. 两项独立研究显示，在抑制EMT的情况下，胰腺癌和乳腺癌的小鼠模型中仍然成功发生了转移71,72。
3. 然而，尽管EMT对转移性生长没有影响，这两项研究都发现EMT似乎会诱导化疗耐药。
4. 这可能表明需要将针对EMT的治疗与化疗联合使用71,72。
5. 为了验证这些结论并帮助识别潜在的治疗靶点，还需要开展更多纵向研究，包括对接受或未接受辅助治疗的个体进行研究，并使用更广泛的EMT标志物和/或单细胞RNA测序（scRNA-seq）来更准确地定义细胞状态。

A transitional spectrum

一个过渡谱

Para_01

1. 现在人们普遍认为，上皮和间质状态之间的‘转化’是发生在一个光谱范围内的，细胞并不一定完全极化到任何一个极端。
2. 这一点在循环肿瘤细胞（CTCs；后文某一节会综述）以及肿瘤本身中都已被观察到61,73。
3. 许多这类细胞在体外呈现出类似混合的状态，同时表达不同程度的传统上皮细胞标志物（如E-钙黏蛋白）和间质细胞标志物（如波形蛋白）73,74。
4. 这表明存在多种具有不同可塑性和侵袭性水平的肿瘤细胞亚型，这一观点得到了对人和小鼠肿瘤进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）研究的支持61,73,75。
5. 此外，利用测序技术检测转座酶可及染色质（ATAC-seq），发现上皮和间质标志物的差异表达水平与不同程度的染色质重塑有关73。
6. 总体而言，这些测序研究的数据表明，在之前的实验模型系统中被忽视了一群正在经历上皮-间质转化（EMT）的连续变化的细胞。
7. 此外，对多种癌症类型的人体组织进行组学分析显示，与匹配的转移灶相比，原发肿瘤部位富集了更多的EMT相关基因76,77,78,79，这也印证了EMT主要在转移的早期阶段而非最终形成的转移性肿瘤中发挥作用的观点。

Beyond the spectrum

超越光谱

Para_01

1. 在EMT谱系之外，还存在癌性谱系可塑性的概念，这种可塑性可能并不仅仅由遗传因素决定。
2. 最近一项结合了单细胞转录组学、多重成像和患者来源类器官结果的转移性结直肠癌（CRC）研究证明了这一点。
3. 通过将组学数据与实验模型相结合，研究人员发现人类肿瘤细胞在转移过程中会进入一种保守的、类似胎儿祖细胞的可塑状态。
4. 这种状态可以分化为多种谱系，并且这些谱系在CRC转移灶中富集。
5. 然而，这种非经典的细胞状态并未出现在CRC的小鼠模型中，这凸显了物种间的差异。
6. 在一项脑转移研究中，患者数据与小鼠模型之间，以及患者数据与人源细胞系之间的EMT程序也观察到差异。
7. 这表明从实验模型向人类癌症转化时需要谨慎解读结果。

Para_02

1. 在另一项关于肺癌转移的研究中，对人类组织进行的单细胞RNA测序（scRNA-seq）也表明，转移性细胞会重现发育可塑性。
2. 这些结果突显了从同一细胞中解析基因型和表型的必要性，而诸如‘转录组基因分型’（Genotyping of Transcriptomes）等技术正使得这种解析成为可能，从而可以探索表型景观的决定因素。
3. 有趣的是，在一个肺癌转移的小鼠模型中发现，具有不同程度可塑性的肿瘤对免疫系统的敏感性存在差异。
4. 例如，SOX9表达水平较高的肿瘤（发育可塑性的一个标志）通过表达自我MHC I类分子，更能抵抗自然杀伤细胞的浸润，
5. 这也进一步强调了免疫系统在塑造肿瘤表型和转移潜能方面的作用。

Impact of the TME

Para_01

1. 肿瘤微环境（TME）由血管、细胞外分子和多种细胞类型组成，为癌细胞这颗‘种子’提供了生长的‘土壤’。
2. 在转移级联反应的每个阶段，TME的变化（包括现有的常驻细胞以及额外招募的组分）都可能影响肿瘤细胞表型的形成。
3. TME的一个重要组成部分是肿瘤间质，其中包括间充质干细胞、免疫细胞和成纤维细胞。
4. 在此，我们重点介绍关于癌症相关成纤维细胞（CAFs）、中性粒细胞和肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的研究，这些研究展示了实验模型系统与人体组织来源的组学方法相结合的最新进展。

CAFs

咖啡因

Para_01

1. CAFs 是成纤维细胞的恶性衍生物，来源多样，且属于具有异质性的细胞群体，通常构成了肿瘤周围间质的大部分。
2. 它们也是癌症进展的关键决定因素，参与诸如上皮分化、基底膜形成和炎症调节等过程。
3. CAFs 还可能作为物理屏障，阻止免疫细胞浸润并攻击癌细胞。
4. CAFs 的这些功能与多种癌症类型的转移潜能增加以及患者预后不良密切相关。

Para_02

1. 通过结合患者肿瘤细胞的免疫组织化学和流式细胞术分析，以及小鼠模型中CAFs的RT-PCR研究98,99，发现不同的CAF亚型在不同癌症类型中的丰度存在差异。
2. 单细胞测序技术的应用使得对这些亚型的进一步特征描述成为可能97,100,101,102,103。
3. 例如，炎症性CAF亚型表现出基质重塑相关基因（如编码基质金属蛋白酶（MMPs）的基因）表达增加，在包括乳腺癌和膀胱癌在内的多种癌症类型中均存在97,100,104,105。
4. CAFs通过分泌可进入循环系统的细胞因子和外泌体来重塑ECM的能力，使得远端器官中形成转移前微环境，从而有效地为播散的肿瘤细胞到达做好组织准备106,107。
5. 这些CAF还通过分泌EMT诱导因子（包括TGFβ和IL-6）上调与上皮-间质转化（EMT）91,100及炎症相关的通路中的基因表达。

Para_03

1. 转移相关成纤维细胞（MAFs）适应其来源的特定转移组织生态位，从而帮助转移灶的成功定植。
2. 与CAFs一起，MAFs在建立转移前生态位方面具有重要作用，这一过程关键性地涉及免疫调节。
3. 在肺转移的小鼠模型中，肺驻留成纤维细胞中编码参与前列腺素生成的酶的COX2表达，使外来的髓样细胞重编程进入一种免疫抑制状态。
4. COX2的表达和前列腺素E2的分泌还导致树突状细胞功能障碍。
5. 这些研究结果强调了肿瘤间质中细胞间的相互作用对于转移成功发生的重要性。

Para_04

1. 有趣的是，与原发肿瘤中的CAFs相比，人类卵巢癌转移灶中的MAFs表现出更高水平的可溶性因子和补体基因的表达，这反过来通过诸如中性粒细胞积聚等炎症机制促进肿瘤生长和血管生成，体内研究已观察到这一现象。
2. 重要的是，自分泌的CXCL12-CXCR4通路介导的MMP2和MMP9表达上调随后可通过肌动蛋白重塑诱导癌细胞形成侵袭伪足，这一过程已在许多原位研究中被观察到（详见文献综述110,111），从而促进转移性迁移和侵袭。

Neutrophils

中性粒细胞

Para_01

1. 中性粒细胞是关键的炎性细胞，在人体内是先天免疫细胞中最丰富的类型，在转移进展中发挥着重要作用，这在其他文献中已有广泛综述。
2. 在此，我们引用了一些关键研究实例，这些研究在多种实验模型中开展，并已通过人类组学数据得到验证。

Para_02

1. 与CAF和MAF类似，中性粒细胞也与转移前微环境的形成相关联
2. 例如，在小鼠模型中观察到肺部中性粒细胞的积累对于随后乳腺癌细胞在肺部的转移定植是必需的
3. 此外，在体外实验中，中性粒细胞衍生因子有利于从异质性癌细胞群体中分离出的转移起始细胞的克隆扩增
4. 同样地，在卵巢癌的小鼠模型中，中性粒细胞促进了肿瘤在网膜上的种植
5. 人类组织组学研究支持中性粒细胞在转移播散中的作用；例如，成像质谱流式技术和配对样本基因组学显示，发生转移的非小细胞肺癌克隆相比未发生转移的肿瘤表现出显著增加的中性粒细胞浸润

TAMs

TAMs

Para_01

1. TAMs 可以来源于肿瘤组织内的驻留组织巨噬细胞或循环血液中的单核细胞。
2. 以前人们认为 TAMs 具有一种极化的、促肿瘤发生和免疫抑制的表型（基于体外研究将其称为 M2 样表型）。
3. 然而，对人类和小鼠模型肿瘤组织进行广泛的单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）表明，TAMs 处于一种具有不同基因表达谱的表型谱系上，这些不同表型在转移级联过程的每一步都产生异质性影响。

Para_02

1. 活体中对荧光标记的肿瘤细胞和巨噬细胞进行多光子显微镜观察显示，乳腺肿瘤侵袭性外缘的肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）密度增加，这些巨噬细胞既可以是单个运动的细胞，也可以是以簇状形式存在。
2. 引人注目的是，只有在血管边界处存在巨噬细胞时，肿瘤细胞才会发生内渗现象，且大多数情况下，正在内渗的肿瘤细胞附近仅一个细胞直径的距离内就能发现巨噬细胞。
3. 重要的是，肿瘤细胞内渗的有效性与血管周围巨噬细胞的数量有关，而不是与血管数量有关。
4. 最近一项关于结直肠癌（CRC）的研究利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）图谱分析了根据相对于肿瘤位置而聚集的肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）；位于肿瘤边缘的TAMs往往与高度的微卫星不稳定性（MSI）和肿瘤突变负荷（TMB）相关，这表明患者可能对免疫治疗更具反应性。
5. 通过使用乳腺癌小鼠模型和人类乳腺癌细胞系，研究人员还观察到肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）与乳腺癌细胞之间形成一个正反馈循环，促进肿瘤细胞进一步发生上皮-间质转化（EMT）并吸引更多巨噬细胞募集。
6. 转录组分析表明，这一表型与多个乳腺癌群体中患者的预后恶化密切相关。

Interactions between cells in the stroma

间质细胞之间的相互作用

Para_01

1. 肿瘤间质中的细胞之间的相互作用也可能在促进转移过程中发挥作用（图3）。
2. 体外研究表明，CAFs可以通过分泌IL-6、IL-8和IL-10等细胞因子促进单核细胞分化为具有促肿瘤M2样表型的极化巨噬细胞（参考文献129,130），其中许多细胞因子同时也是促进EMT的因素。
3. TAMs也可以分泌IL-6，形成一个正反馈循环，进一步促进EMT，从而提高转移效率。
4. 目前，组学技术的发展可以在更精细的层面上阐明间质中细胞间的串扰，构建单细胞图谱，研究特定CAF亚型与TAM之间的相互作用，并突出重要的信号轴和相关分子。
5. 这可以通过基于单细胞转录组数据进行计算预测细胞间通讯并推导受体-配体相互作用来实现。
6. 此外，空间组学技术可以通过可视化细胞位置来提供另一层次的信息，从而推断细胞之间可能发生的相互作用。

Fig. 3: Inferences of cell crosstalk in the tumour stroma from human omics data and experimental models.

- 图片说明

◉ 通过分析单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，可以推断肿瘤间质中细胞之间的相互作用，其中包括巨噬细胞、中性粒细胞和成纤维细胞，从而预测受体-配体结合对。◉ 在功能实验中，常使用迁移实验等技术来量化细胞暴露于分泌因子时的侵袭能力，这种能力通过酶联免疫吸附测定（ELISA）和蛋白质印迹法（western blot）进行确定。◉ 这两个领域的进展现在使得研究人员能够利用空间转录组学或免疫组织化学以及荧光染色技术来研究肿瘤微环境的空间结构。

Tumour cell dissemination

Para_01

1. 进入血管后，CTC（循环肿瘤细胞）对于转移性癌症通过血液系统性扩散至关重要。
2. 尽管关于淋巴系统中的CTC（lymph CTCs）了解较少，但CTC也有可能出现在淋巴系统中。
3. 无论是在患者的血液样本中还是在体内模型（包括携带患者来源异种移植物的小鼠模型，即PDXs）中都观察到了CTC，它们以单个细胞的形式或最多达50个细胞的细胞簇形式循环存在。
4. 后者虽然出现频率较低，但却更有利于扩散，因为与单个细胞相比，它们在流体剪切应力下更能抵抗凋亡，并更有可能成功形成转移灶。
5. CTC细胞簇通常是异质性的；因此，在转移尚未形成之前，就需要考虑肿瘤内异质性以及非癌细胞（如TAMs）存在的影响。

Heterogeneity of CTCs

CTC的异质性

Para_01

1. 现在可以利用单细胞测序技术分析循环肿瘤细胞（CTC）内部的异质性。
2. 例如，在一组乳腺癌患者来源的循环肿瘤细胞中，发现了个别细胞簇内同时存在上皮表型和间质表型的细胞。
3. 此外，还检测到了具有干细胞样表型的循环肿瘤细胞——这些细胞同时表达上皮和间质标志物。
4. 这与之前在小鼠模型和使用患者数据进行的研究结果一致，这些研究也发现了共表达干细胞样、上皮和/或间质特征的循环肿瘤细胞。
5. 转录组研究表明，循环肿瘤细胞与其原发肿瘤细胞具有不同的转录谱。
6. 特别是，循环肿瘤细胞中参与细胞周期进程和增殖的基因表达显著下调。
7. 这些基因以及其他癌基因在循环肿瘤细胞中也经历了拷贝数变异。
8. 例如，MYCN在乳腺癌和肺癌患者的循环肿瘤细胞中被证明发生了拷贝数扩增。
9. 循环肿瘤细胞似乎具有与后续转移灶一致的突变和拷贝数特征，这表明基于循环肿瘤细胞推断出的标志物可以用作一种无创方法，以预测晚期癌症患者对不同类型常规治疗的反应。

Resistance of CTCs to shear stress

CTCs 对剪切应力的抵抗力

Para_01

1. 尽管CTCs具有表型适应性，但在到达转移部位之前它们仍可能在血液中被摧毁。
2. 其中一种可能发生的方式是通过血流动力学剪切应力，这种应力既来自血管壁，也来自循环液体本身，并可诱导CTCs的失巢凋亡152,153。
3. CTCs可以与附近的血小板相互作用，这些血小板可以作为物理‘屏障’，保护其免受剪切应力和循环中的免疫细胞攻击154。
4. 细菌也可以起到减弱施加在CTCs上的剪切应力的作用。
5. 利用单细胞RNA测序（scRNA-seq），研究人员发现某些类型的细菌（包括共生菌木糖葡萄球菌）侵入乳腺癌类器官后，参与应对流体剪切应力的基因表达显著增加155。
6. 后续的体内实验验证了这些结果，也表明细菌侵袭与转移定植能力增强有关155。
7. 然而，在体外循环系统中的细胞系实验中，高水平的流体剪切应力对多种癌症类型的细胞具有破坏性，包括乳腺癌、肺癌和卵巢癌细胞，而白血病细胞似乎对剪切应力更具抵抗力153。
8. 有趣的是，在体外实验中，存活下来的CTCs表现出更多的间质样表型，这是JNK激活下游的一种表现，表明上皮-间质转化（EMT）在循环过程中受到促进156。
9. 测序技术的进步可能进一步揭示CTCs在进入转移部位前在血液循环中形态调控的调节网络。

Mode of dissemination of tumour cells

肿瘤细胞的传播方式

Para_01

1. 肿瘤细胞也可以不进入血液或淋巴循环而发生扩散。
2. 例如，在最近一项结合组织病理学分析和群体测序技术的人类肺腺癌研究中，研究人员在肺泡衬层发现了多个转移病灶，表明这些病灶缺乏间质侵袭，支持肿瘤可以通过气道空间扩散的假设。
3. 有趣的是，通过肺泡气道播种植转移的原发肿瘤都表现出晚期扩散的证据，这与疾病复发和预后不良相关。
4. 随着来自大规模患者队列的组学数据日益增多，很可能识别出不同扩散模式的独特标志物。
5. 反过来，这将有助于开发特定的实验模型，以更好地了解通过不同扩散模式发生转移后的潜在差异。

Dormancy and reawakening of tumour cells

肿瘤细胞的休眠与重新激活

Para_01

1. 在循环中存活下来的肿瘤细胞可以在外周组织和血液中保持休眠状态，从而导致初始手术几个月或几年后出现转移性复发。
2. 例如，乳腺癌的休眠期可以长达20年。
3. 这给实验模型中的转移研究带来了许多挑战，无论是在体外还是在体内都是如此。
4. 然而，在破译肿瘤细胞在一段休眠期后如何重新觉醒方面已经取得了一些进展。
5. 最近一项关于雌激素受体阳性乳腺癌的研究整合了小鼠模型和人类组学数据的结果，发现与年轻小鼠（其中扩散的肿瘤细胞表现为休眠表型）或体外细胞培养相比，老年小鼠肺转移灶的肿瘤微环境中生长因子PDGF-C的异位表达水平升高，并且转移灶生长速度加快。
6. 另一个体外模型表明，中性粒细胞介导的全身炎症扩大了骨中休眠的小鼠乳腺癌细胞的一个增殖亚群。
7. 尽管这些结果支持了既往乳腺癌患者中观察到的疾病晚期复发现象，但对这些模型的改进应考虑重现可能影响休眠肿瘤细胞重新觉醒的生物学和外在因素，例如人类激素周期以及激素治疗使用率的增加。
8. 空间组学技术的应用也可以为这一领域提供新的见解，揭示与邻近基质细胞和免疫细胞的局部相互作用如何促进休眠肿瘤细胞的重新觉醒。
9. 同时，对有和无复发患者人群的纵向监测也可能进一步加深对疾病病程后期阶段的理解。

Fig. 4: A case study for the integration of results from human omics data and experimental models.

- 图片说明

◉ Turrell 等人最近的一项研究利用小鼠乳腺癌模型，探讨了在雌激素受体（ER）阳性乳腺癌患者中常常观察到的转移性疾病延迟发作的现象。◉ 该模型试图重现老年女性体内观察到的低雌激素水平，但缺乏功能性免疫系统。◉ 作者使用了来自乳腺癌分子分类国际联盟（METABRIC）数据集的大量RNA测序（RNA-seq）数据，以及来自26个人类乳腺癌样本的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，以验证他们在小鼠模型中的发现。◉ 他们的研究发现，在肿瘤细胞中异位上调Pdgfc是乳腺癌转移到肺部所必需的。

Conclusions and perspectives

Para_01

1. 从实验模型系统到多组学时代的曙光，研究转移的方法正在迅速发展。
2. 在此，我们探讨了这两个领域如何帮助阐明转移级联中的关键步骤，并强调了近期在将组学技术应用于人体组织样本方面的进展如何支持并推动了来自实验系统的长期结论。
3. 反过来，生物模型正被用来为从人体组织的大规模测序研究中得出的观察结果提供分子层面的见解。

Para_02

1. 然而，我们绝不能忽视这两种方法的局限性。
2. 一方面，转移的实验系统必须真实地再现人类疾病状态，否则可能会得出错误的结论。
3. 例如，尽管PDX模型通常能够保持原发肿瘤的遗传和转录多样性，并已成功用于预测药物反应165,166,167，但在PDX模型与其来源肿瘤之间已经观察到基因组变异性的差异168。
4. 这可能是由于移植过程中出现的遗传瓶颈效应所致，可能导致从异质性肿瘤中生成单克隆模型等不一致的结果168。
5. 另一方面，对人类转移样本进行测序分析的一个主要限制在于缺乏纵向取样。
6. 在这方面，尸检研究可能更能代表患者中转移扩散的真实结果，尽管在解释此类数据时应谨慎结合每位患者的治疗历史，因为治疗可以显著改变转移灶的扩散和克隆进化动态33。
7. 正如最近综述所述169，这类尸检研究还有助于减少测序研究所不可避免的巨大后勤和财务投入。
8. 此外，将来自大型队列研究（如TRACERx）的患者同时纳入尸检研究（如英国的‘晚期癌症环境死后评估’计划，针对转移性疾病患者的尸检项目），也有助于更好地理解从原发肿瘤发展到死亡过程中的转移性癌症进展与复发。
9. 此外，加入其他分析方法，如临床影像学，将有助于更全面地了解转移灶与身体其他部位之间的相互作用；而基因组流行病学则可以通过揭示不同人群中转移性癌症的遗传风险因素来补充转移研究的相关工作。

Para_03

1. 转移研究的这两种主要方法——实验模型和多组学分析——必须结合使用，以解答该领域中许多尚未解决的问题。
2. 其中一个问题是外部环境刺激（如污染、微塑料、饮食、微生物群和慢性压力）对转移的起始、进展和再激活的影响。
3. 例如，癌症（转移性）诊断时出现的心理健康障碍可能通过诱导更具免疫抑制性的微环境从而增加转移性生长和进展的机制，对患者的生存产生负面影响。
4. 尽管这些刺激的暴露难以轻易减少，而由癌症引起的慢性压力也无法简单避免，但重要的是我们要认识到，作为社会的一部分，我们可以设法在一定程度上控制这些致病因素。
5. 加深我们对这些刺激如何影响肿瘤生长和转移的理解，有助于控制并减少其影响。
6. 例如，由饮食或抗生素引起肠道微生物群的变化是否会改变转移进程？
7. 在免疫治疗期间暴露于细颗粒物是否会降低治疗效果？
8. 体育锻炼如何影响转移过程？
9. 要回答这些问题，只能通过整合转移研究的所有分支。
10. 例如，对包含全面患者信息以及地理和社会经济数据的大型数据集进行组学分析，可以对转移的发生进行全面预测；随后可以利用模型系统以可重复和可再现的方式阐明组学研究中观察结果背后的标志物和/或通路。
11. 通过这种方式，我们希望未来的研究成果不仅能够带来在个体层面检测、预防和治疗癌症及转移的新方法，还能推动在人群层面实施疾病预防相关政策和立法的进程。