Cell?|?乳腺癌大轉(zhuǎn)移灶的三維結(jié)構(gòu)藍(lán)圖——轉(zhuǎn)移性小梁形態(tài)發(fā)生

撰文 |咸姐

乳腺癌遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的形成，通常標(biāo)志著腫瘤進展進入了難以治愈的階段。解析構(gòu)成大轉(zhuǎn)移灶的惡性細(xì)胞狀態(tài)的本質(zhì)——包括其分子程序、關(guān)鍵依賴性以及在原發(fā)腫瘤中出現(xiàn)的時機——一直是癌癥生物學(xué)領(lǐng)域的核心科學(xué)問題。既往研究提示，與原發(fā)性腫瘤細(xì)胞不同，轉(zhuǎn)移細(xì)胞在很大程度上由非遺傳適應(yīng)性所驅(qū)動。盡管這種表型可塑性的具體性質(zhì)尚不明確，但這種適應(yīng)性使得轉(zhuǎn)移細(xì)胞能夠在遠(yuǎn)端異質(zhì)性組織中構(gòu)建出類似器官的結(jié)構(gòu)【1,2】。這就引出了一個根本性問題：是否存在一個“轉(zhuǎn)移性結(jié)構(gòu)藍(lán)圖”——即一個潛在的三維（3D）形態(tài)發(fā)生程序和架構(gòu)設(shè)計——指導(dǎo)著轉(zhuǎn)移性生長？破譯這些程序有望揭示在組織層面發(fā)揮作用的調(diào)控機制，并發(fā)現(xiàn)目前尚未被認(rèn)識到的治療脆性。目前，關(guān)于構(gòu)成乳腺癌轉(zhuǎn)移灶的惡性細(xì)胞的性質(zhì)所知甚少。大多數(shù)單細(xì)胞分析集中于原發(fā)性乳腺腫瘤，針對轉(zhuǎn)移灶的研究僅是新近才有的進展。盡管這些研究提供了寶貴的資源，但它們未能解決定義轉(zhuǎn)移狀態(tài)、并將其與原發(fā)腫瘤區(qū)分開來的惡性細(xì)胞中的根本性變化。

近日，來自意大利帕多瓦大學(xué)的Stefano Piccolo團隊在Cell上在線發(fā)表題為A 3D morphogenetic blueprint for metastatic outgrowth in breast cancer的文章，通過單細(xì)胞測序、空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)、AI輔助3D成像及小鼠模型，揭示了乳腺癌大轉(zhuǎn)移灶通過激活一種轉(zhuǎn)移性小梁形態(tài)發(fā)生（MTM）程序進行擴增，該程序重新部署了發(fā)育過程中的分支形態(tài)發(fā)生機制，用以構(gòu)建由上皮細(xì)胞索組成的分形3D網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，而這種狀態(tài)已經(jīng)在注定會發(fā)生轉(zhuǎn)移的原發(fā)腫瘤中選擇性存在。研究結(jié)果無疑將轉(zhuǎn)移生長與發(fā)育藍(lán)圖直接關(guān)聯(lián)，揭示了針對大轉(zhuǎn)移階段的潛在治療靶點。

本文研究人員首先通過單細(xì)胞RNA測序構(gòu)建了乳腺癌原發(fā)、轉(zhuǎn)移及正常乳腺的大規(guī)模單細(xì)胞圖譜，發(fā)現(xiàn)所有主要亞型的原發(fā)和轉(zhuǎn)移腫瘤細(xì)胞均保留成體乳腺腔上皮身份，未發(fā)生向其他上皮譜系的明顯偏離，但轉(zhuǎn)移灶中意外富集了“管狀形態(tài)發(fā)生”相關(guān)通路。受此啟發(fā)，研究人員通過重新分析已發(fā)表的小鼠胚胎乳腺單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個去除細(xì)胞周期相關(guān)基因及與成體乳腺上皮共享基因的“胚胎乳腺形態(tài)發(fā)生（FMM）”特征，并證實該特征在轉(zhuǎn)移灶中顯著富集，而青春期或成體乳腺特征則無此富集。所有轉(zhuǎn)移性病變均表現(xiàn)出該特征的高表達(dá)，且獨立于PAM50分子亞型，而原發(fā)腫瘤中該特征表達(dá)則表現(xiàn)出異質(zhì)性，大多數(shù)原發(fā)腫瘤由基本上無該特征表達(dá)的腫瘤細(xì)胞組成。這一發(fā)現(xiàn)在AURORA-US聯(lián)盟的匹配原發(fā)-轉(zhuǎn)移樣本及兩種小鼠乳腺癌模型（分別模擬三陰性和HER2陽性疾病）中得到驗證，提示轉(zhuǎn)移性生長與發(fā)育性管狀形態(tài)發(fā)生之間存在保守的分子聯(lián)系。

隨后，研究人員利用CODA深度學(xué)習(xí)對連續(xù)2D H&E切片進行3D形狀與微結(jié)構(gòu)重建，以探究轉(zhuǎn)移灶在3D空間中的組織方式。分析結(jié)果顯示，人類及實驗性小鼠模型的乳腺癌轉(zhuǎn)移灶均由無管腔的多細(xì)胞上皮細(xì)胞索構(gòu)成3D格子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出分形的小梁狀構(gòu)型，通過分支形態(tài)發(fā)生并伴有廣泛的吻合進行擴張；而同一器官內(nèi)形成的大小匹配的纖維肉瘤和骨肉瘤轉(zhuǎn)移灶則呈致密結(jié)節(jié)狀膨脹生長，缺乏該結(jié)構(gòu)，但乳腺癌轉(zhuǎn)移性類器官的皮下移植物卻呈現(xiàn)廣泛小梁狀形態(tài)，表明轉(zhuǎn)移形態(tài)發(fā)生是惡性上皮細(xì)胞的一種自組織特性，小梁狀結(jié)構(gòu)并非由器官微環(huán)境所強加，而是反映了上皮來源的轉(zhuǎn)移性乳腺癌細(xì)胞的一種內(nèi)在能力。為了更精確地定義支持這種惡性結(jié)構(gòu)的發(fā)育程序，研究人員將FMM基因與轉(zhuǎn)移富集基因取交集，提煉出一個稱為“轉(zhuǎn)移性小梁形態(tài)發(fā)生（MTM） ”的濃縮特征，該特征包含F(xiàn)GF信號、非經(jīng)典Wnt、CXCR4、Notch等已知控制分支器官發(fā)育的模塊。在單細(xì)胞數(shù)據(jù)中，轉(zhuǎn)移灶幾乎完全由表達(dá)該特征的癌細(xì)胞組成，而衡量其他與惡性或轉(zhuǎn)移早期步驟相關(guān)特征的標(biāo)簽，如細(xì)胞周期、上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化或基底特征，則未顯著富集，表明該特征捕捉到了一個與既往侵襲性標(biāo)志物不同的形態(tài)發(fā)生程序。

進一步分析顯示，原發(fā)性腫瘤中MTM表達(dá)呈顯著異質(zhì)性，從完全低表達(dá)到與轉(zhuǎn)移灶相當(dāng)?shù)母弑磉_(dá)均有分布，提示該程序并非轉(zhuǎn)移灶獨有。在METABRIC Discovery隊列中，各亞型均同時存在MTM高表達(dá)和低表達(dá)腫瘤，高表達(dá)者轉(zhuǎn)移風(fēng)險顯著升高，且MTM是獨立于亞型、淋巴結(jié)狀態(tài)、組織學(xué)分級、年齡及全身性治療的轉(zhuǎn)移風(fēng)險預(yù)測因子。AURORA-US隊列中，原發(fā)腫瘤MTM表達(dá)水平與轉(zhuǎn)移發(fā)生時間呈負(fù)相關(guān)，即表達(dá)最高者轉(zhuǎn)移出現(xiàn)更早。這些結(jié)果表明原發(fā)腫瘤MTM表達(dá)具有獨立預(yù)后價值。

基于以上發(fā)現(xiàn)，研究人員遂對六例具有長期隨訪數(shù)據(jù)的原發(fā)乳腺癌進行3D重建，發(fā)現(xiàn)所有最終發(fā)生轉(zhuǎn)移的原發(fā)腫瘤均呈現(xiàn)與遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移灶相當(dāng)?shù)男×籂罡褡咏Y(jié)構(gòu)，而未轉(zhuǎn)移者則保持緊湊、實性的膨脹性生長。在132例三陰性乳腺癌（TNBC）隊列中，研究人員開發(fā)了基于2D病理切片的拓?fù)涿枋龇鳛?D結(jié)構(gòu)的替代指標(biāo)，以捕捉小梁狀與膨脹性生長的拓?fù)涮卣鳎瑥亩诔Ｒ?guī)病理切片上實現(xiàn)可規(guī)模化的量化分析。結(jié)果顯示，后續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)移的患者其原發(fā)腫瘤中顯著富集了與小梁狀結(jié)構(gòu)相關(guān)的2D特征（如更高的腫瘤島密度），且具有小梁狀結(jié)構(gòu)的原發(fā)腫瘤發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率顯著高于膨脹性結(jié)構(gòu)的腫瘤。這表明，通過常規(guī)病理切片定量形態(tài)測量推斷出的腫瘤3D結(jié)構(gòu)構(gòu)型本身即具有獨立的預(yù)后價值。深入研究結(jié)果顯示，具有分支形態(tài)發(fā)生能力的MTMHIGH細(xì)胞在顯性轉(zhuǎn)移灶及將來會發(fā)生轉(zhuǎn)移的原發(fā)腫瘤中構(gòu)建了相同的小梁狀三維結(jié)構(gòu)，而MTMLOW腫瘤則采用僅支持局部生長但不足以形成遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的實性、非分支組織模式。

發(fā)育過程中的基因網(wǎng)絡(luò)通常受上游主控轉(zhuǎn)錄因子（TF）調(diào)控，為了識別MTM特征的主控TF，研究人員利用三個轉(zhuǎn)移灶來源的患者源性類器官進行ChIP-seq和染色質(zhì)狀態(tài)分析，結(jié)合增強子-啟動子物理連接圖譜，發(fā)現(xiàn)ETS因子家族的PEA3亞家族（即ETV1、ETV4、ETV5）基序在約75%的MTM相關(guān)調(diào)控元件中顯著富集，提示它們是MTM程序的候選主控因子。在4T1和MDA-MB-231細(xì)胞中敲除ETV，MTM特征顯著降低，且細(xì)胞在膠原膠中的分支能力嚴(yán)重受損，轉(zhuǎn)而形成緊湊的球形聚集體，但不影響2D增殖、傷口愈合遷移/極化或克隆形成能力。此外，在正常人乳腺原代細(xì)胞中敲除ETV同樣顯著降低了其分支能力。這些數(shù)據(jù)確立了ETV1/4/5家族是MTM程序和上皮分支形態(tài)發(fā)生的主控調(diào)節(jié)因子，且這一功能在正常和惡性乳腺上皮中保守。體內(nèi)實驗中，ETV缺失使大轉(zhuǎn)移負(fù)荷顯著減少，ETV敲除后轉(zhuǎn)移灶數(shù)量雖與對照組大轉(zhuǎn)移灶相當(dāng)，但無法進一步生長，三維重建顯示其為緊湊聚集體，缺乏延伸的管狀網(wǎng)絡(luò)。而過表達(dá)ETV1則足以誘導(dǎo)原本低轉(zhuǎn)移的細(xì)胞形成典型的小梁狀分支結(jié)構(gòu)并發(fā)生轉(zhuǎn)移。此外，ETV驅(qū)動的MTMHIGH小梁狀程序在原發(fā)腫瘤中前瞻性地標(biāo)記了將會轉(zhuǎn)移的病變。雖然原發(fā)腫瘤的形成既可以采用小梁狀模式，也可以采用膨脹性模式，但只有小梁狀結(jié)構(gòu)才能支持后續(xù)的遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移性生長；ETV缺失并不影響原發(fā)腫瘤的成瘤、增殖或生長速率。

最后，整合單細(xì)胞與高分辨率空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF旁分泌信號主要源自腦轉(zhuǎn)移微環(huán)境中的星形膠質(zhì)細(xì)胞或肺轉(zhuǎn)移微環(huán)境中的癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞及Axin2+祖細(xì)胞，并主要靶向腫瘤細(xì)胞。功能實驗顯示，F(xiàn)GF處理可上調(diào)MTM特征，而ETV4敲除則消除此效應(yīng)，表明FGF作用于ETV上游。體內(nèi)使用FGFR抑制劑或敲除FGFR2均顯著抑制肺轉(zhuǎn)移生長并下調(diào)MTM特征，但不影響原發(fā)腫瘤生長。這些結(jié)果揭示了腫瘤微環(huán)境中的FGF信號是MTM程序的可干預(yù)脆性，為針對大轉(zhuǎn)移階段提供了潛在治療靶點。

綜上所述，本研究顛覆了轉(zhuǎn)移灶無序生長的傳統(tǒng)觀點，從三維形態(tài)發(fā)生和發(fā)育生物學(xué)的高度，重新定義了乳腺癌大轉(zhuǎn)移性生長的本質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移性乳腺癌細(xì)胞通過ETV1/4/5轉(zhuǎn)錄因子重演胚胎期的分支形態(tài)發(fā)生程序，構(gòu)建出具有分形特征的小梁狀三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這種名為“轉(zhuǎn)移性小梁形態(tài)發(fā)生”的程序在轉(zhuǎn)移灶和易轉(zhuǎn)移的原發(fā)腫瘤中均激活，具有獨立預(yù)后價值，并依賴于微環(huán)境FGF信號、可被FGFR抑制劑干預(yù)。這項工作為理解乳腺癌的致命性進展提供了一個全新的“結(jié)構(gòu)藍(lán)圖”框架，并揭示了針對大轉(zhuǎn)移階段的潛在治療策略。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.03.009

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

1. Gerstberger, S., Jiang, Q., and Ganesh, K. (2023). Metastasis.Cell186, 1564–1579.

2. Garcia-Recio, S., Hinoue, T., Wheeler, G.L., et al. (2023). Multiomics in primary and metastatic breast tumors from the AURORA US network finds microenvironment and epigenetic drivers of metastasis.Nat. Cancer4, 128–147.

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