导语
大约30-40%的接受了原发性肿瘤根治性切除术的结直肠癌（colorectal cancer CRC）患者将在几年后发生转移。重要脏器的转移及术后复发仍是主要的致死原因。然而，目前仍缺乏有效的疗法来消除残余的肿瘤细胞，以防止预后不佳的结肠癌转移和复发。研究预防CRC复发的疗法仍然迫在眉睫。
研究技术
10x scRNA-seq、RNA-seq、多色免疫荧光
研究内容
该研究通过构建类人CRC转移复发模型以及细胞追踪系统，发现了一群高表达EMP1的细胞群对于CRC原位切除后转移复发起关键作用。首次发现了隐藏在肝脏和肺部中的残余肿瘤细胞，并揭示了这些残余细胞如何演变为肝肺器官中出现的转移瘤。
研究路线
研究结果
1. 高复发细胞（HRCs）的鉴定
作者对大量RNA-Seq的数据（其中包括TCGA数据库和6个公共 CRC 转录组数据集）进行整合分析一共获得1830个样本，确定了HR > 1和 P < 0.05的2,530个预测疾病复发的基因（图1a），并发现其中有99个基因（在下文中被称为上皮特异性高风险基因集，EpiHR）显示出肿瘤上皮细胞限制特异性上调表达（图1b-d）。通过UMAP分析，研究发现27个CRC患者中有18个含有EpiHR基因集标记的细胞（图1f-h），并将这个肿瘤细胞群称为高复发性细胞（HRCs）。对HRCs 与非 HRCs进行差异表达分析并通过基因富集分析，发现HRCs与缺氧、细胞间粘附、细胞外间质、肌动蛋白细胞骨架和调节细胞迁移有关通路显著富集（图1i）
2. 转移性细胞状态的动态变化
作者用一种新的转移性复发小鼠模型，研究 HRC 对转移性复发的贡献，模拟手术切除原发肿瘤后发生转移性复发的过程，分析在切除原发性CRC后检测肝脏中转移细胞的变化，确定肝脏中有微转移、小转移和大转移（图2a-d）。UMAP 显示原发肿瘤和转移瘤的肿瘤细胞在很大程度上是重叠的（图 2e,f）)，聚类分析确定了六个细胞亚群（图2g）()。接下来，研究人员通过轨迹推断算法 CellRank在转移进展过程中预测了HRCs是微转移瘤的起源（图2i-t）。
3. HRC的特征分析
通过分析人和小鼠的scRNA-Seq数据集，发现人鼠CRC中的HRCs 一致地表达了核心基因的大部分子集，其中，EMP1在 HRCs 中高表达，利用Emp1来追踪肿瘤复发期间的HRCs，发现EMP1-TOMhigh的细胞群处于侵袭部位的前沿以及肿瘤出芽部位，HRCs具有迁移和传播到其他器官的能力，细胞在向外转移生长后会产生非HRC细胞群（图3b-k）。
4. 残留的EMP1+细胞导致肿瘤复发
利用插入 Emp1基因座的诱导型caspase-9在肿瘤中进行细胞消融实验，通过DIM治疗特异性剔除高表达EMP1的肿瘤细胞（图4a-e）。结果表明在原发性肿瘤生长期间进行DIM治疗，大多数小鼠没有出现肝和肺转移现象，而在原发性肿瘤切除一周后进行DIM治疗，所有小鼠都出现转移复发（图4f-l）。由此可见，在原发性CRC切除后，EMP1high HRCs会导致肿瘤的复发转移，但在转移完成后，这类细胞并非肿瘤生长必须的。
5. 新辅助免疫治疗可以避免复发
假设在类器官定植开始时，缺乏成熟的 TME 使 HRCs 暴露于后天免疫系统，但扩散的细胞通过免疫调节分子绕过免疫攻击。为了测试微转移性疾病对免疫治疗的易感性，用抗 PD1抗体联合抗 CTLA4抗体治疗小鼠，即在手术切除原发肿瘤之前（图5k–p）。这种方法增加了原发性结直肠癌中 CD8+细胞毒性T细胞的数量（图5l,m），但是肿瘤生长速率不变，无转移发生（图5o-p）。相比之下，手术后2周应用相同的治疗方案并不能阻止转移性肿瘤的生长（图5s），这与在转移性微卫星稳定的 CRC 患者中观察到的检查点免疫治疗失败相一致。因此，在转移定植后的时间窗内，免疫治疗能有效地消除残留疾病并防止随后的转移复发。
总结
本研究通过构建CRC类人小鼠转移复发模型，揭示了一群EMP1高表达的HRC细胞对于转移定植至关重要，而LGR5+干细胞样肿瘤细胞对于CRC转移后的生长起关键作用。揭示了 CRC 残留疾病的细胞状态动力学，并预期针对 HRCs 的治疗可能有助于避免转移性复发。为消除残余病变，开发新的诊断工具和新疗法提供了新的思路。
参考文献：