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單細(xì)胞檢測(cè)技術(shù)在腫瘤研究中的新挑戰(zhàn)和新方向

瀏覽次數(shù):8586 發(fā)布日期:2019-7-29  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組研究是近期生命科學(xué)領(lǐng)域運(yùn)用最火的組學(xué)檢測(cè)技術(shù)之一,來自麻省總醫(yī)院和哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員在《Molecular Cell》(Suva and Tirosh 2019)上討論了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)在腫瘤研究中的經(jīng)驗(yàn)與未來挑戰(zhàn)。在此,我們對(duì)該review中的部分內(nèi)容進(jìn)行解讀和分享。

作者認(rèn)為,在接下來的幾年中,通過單細(xì)胞RNA-seq研究腫瘤的方法將進(jìn)一步整合到癌癥研究中,并將用于解決越來越多關(guān)于腫瘤生物學(xué)的問題。在這里,作者簡要介紹一些可能解決的主要問題和scRNA-seq及其相關(guān)新興技術(shù)在其中的作用。



一. 區(qū)分遺傳與非遺傳機(jī)制:單細(xì)胞多組學(xué)分析
 
遺傳異質(zhì)性是在腫瘤之間和腫瘤內(nèi)產(chǎn)生多樣性的重要原因。然而,越來越多的證據(jù)表明非遺傳機(jī)制在其中的重要性。因此,在同一個(gè)細(xì)胞中映射細(xì)胞狀態(tài)和遺傳狀態(tài)就是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)了。但是,現(xiàn)有大多數(shù)的scRNA-seq數(shù)據(jù),基本忽略了細(xì)胞的遺傳狀態(tài),或者只具有部分評(píng)估遺傳狀態(tài)的能力:(1)檢測(cè)靈敏度有限的RNA突變;(2)個(gè)體突變的靶向測(cè)序;(3)CNAs推測(cè)。因此,正在開發(fā)和改進(jìn)的多組學(xué)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞狀態(tài)和遺傳學(xué)的聯(lián)合分析,有望對(duì)這些問題提出解決方案,比如,將mRNA檢測(cè)和蛋白,DNA甲基化,染色質(zhì)可及性,克隆擴(kuò)增等同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)的多組學(xué)方式。
 
來源:van Galen et al., 2019

二.細(xì)胞-細(xì)胞相互作用和空間位置:空間分辨率的單細(xì)胞技術(shù)
 
 
每個(gè)腫瘤類似于生態(tài)系統(tǒng),因此,每個(gè)細(xì)胞的狀態(tài)可能高度依賴于其精確的空間位置和與相鄰細(xì)胞的相互作用。 這些復(fù)雜的相互作用及其對(duì)癌細(xì)胞生物學(xué)的影響現(xiàn)階段仍然知之甚少。 將轉(zhuǎn)錄組與空間信息偶聯(lián)將顯著提高預(yù)測(cè)和進(jìn)一步表征此類相互作用的能力。迄今為止,大多數(shù)scRNA-seq研究已經(jīng)檢測(cè)了細(xì)胞狀態(tài)但沒法還原其位置的任何信息。大多數(shù)情況下,只能根據(jù)數(shù)據(jù)特征來推斷出可能的組織位置信息。因此,用于腫瘤分析的空間分辨技術(shù)的不斷改進(jìn),以及來自不同技術(shù)的數(shù)據(jù)整合,將在未來幾年內(nèi)顯著推進(jìn)這些方向,并提高我們對(duì)細(xì)胞-細(xì)胞相互作用和空間效應(yīng)的理解。

除了空間分析之外,腫瘤內(nèi)細(xì)胞-細(xì)胞相互作用的研究將通過對(duì)配體和受體的表達(dá)分析來探究細(xì)胞間的相互交流。運(yùn)用配體-受體復(fù)合物的數(shù)據(jù)庫,通過scRNA-seq數(shù)據(jù)與腫瘤細(xì)胞亞群的定義相結(jié)合,來推斷潛在的細(xì)胞-細(xì)胞相互作用,可以理解為其中一個(gè)群體產(chǎn)生配體,向另一個(gè)表達(dá)相應(yīng)受體的群體發(fā)信號(hào)。當(dāng)然,腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜性,意味著這種潛在相互作用的數(shù)量很大,需要進(jìn)行深入后續(xù)研究,才能確定個(gè)體相互作用的內(nèi)在機(jī)理。
 
來源:Vento-Tormo et al., 2018

三.殘留病變和復(fù)發(fā):利用單核分析(冰凍材料)
 
在許多癌癥類型中,初始治療后通常伴隨著具有增強(qiáng)的侵襲性和抗藥性的復(fù)發(fā),突出了殘留病變及其進(jìn)展和生長對(duì)于建立復(fù)發(fā)性腫瘤的重要性。已有的研究比較了原發(fā)性和復(fù)發(fā)性腫瘤,并揭示耐藥性的各種遺傳原因。未來的研究將擴(kuò)展這種方法,通過scRNA-seq進(jìn)行比較,并提供更詳細(xì)的復(fù)發(fā)腫瘤視圖及其與相應(yīng)原發(fā)腫瘤的區(qū)別。但是,一個(gè)重要的挑戰(zhàn)是,目前的scRNA-seq方案需要新鮮腫瘤樣本,在給定復(fù)發(fā)時(shí)間的情況下,為處理匹配的原發(fā)和復(fù)發(fā)樣本就比較困難了。不過,已有多種方法可以實(shí)現(xiàn)冷凍樣品的分析,如最近已有報(bào)道,可以通過單細(xì)胞核(而不是單細(xì)胞)的分離和測(cè)序來分析冷凍或固定的樣品。除了復(fù)發(fā)性腫瘤外,scRNA-seq還直接發(fā)現(xiàn)通過治療而存活的罕見殘留細(xì)胞,而它們正是最終成為腫瘤復(fù)發(fā)的基礎(chǔ)。 這種罕見細(xì)胞,通常被稱為微小殘留病變(MRD),可以在動(dòng)物模型中進(jìn)行分析,通過與原發(fā)性和復(fù)發(fā)性腫瘤進(jìn)行比較,為其逃避治療的能力,保持休眠狀態(tài),最后引起復(fù)發(fā)性腫瘤的過程提供了解釋。
 
來源:Rambow et al., 2018


四.腫瘤亞群:它們的檢測(cè),功能意義和起源
腫瘤進(jìn)展是一個(gè)進(jìn)化過程,因此,只有少數(shù)細(xì)胞得以通過選擇而逐漸形成新的表型。所以,關(guān)鍵亞群,如癌癥干細(xì)胞,耐藥細(xì)胞和構(gòu)成轉(zhuǎn)移的遷移細(xì)胞,可能反映了一種非常罕見的亞群(例如,小于0.1%)。然而,這種亞群大多數(shù)方法是檢測(cè)不到的,包括目前的scRNA-seq。不過,隨著目前單細(xì)胞檢測(cè)通量的不斷提高,像以微滴微流控為代表的技術(shù),使得每批次檢測(cè)的細(xì)胞數(shù)據(jù)可以達(dá)到成千上萬。當(dāng)然,未來的技術(shù)肯定會(huì)進(jìn)一步地將這種能力提高到數(shù)萬甚至數(shù)百萬個(gè)細(xì)胞,這將大大地提高發(fā)現(xiàn)非常罕見亞群的可能。

當(dāng)然,即使發(fā)現(xiàn)了這些獨(dú)特的亞群,它們的功能和臨床意義也是很難確定的。不過,有兩種重要的方法可以進(jìn)一步分析這些亞群:1.大型列隊(duì)的研究可以揭示亞群存在和頻率與臨床特征(例如存活,轉(zhuǎn)移和藥物反應(yīng))之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)。但是考慮到大樣本進(jìn)行scRNA-seq的成本問題,目前相對(duì)可行的方法是利用已有可用的測(cè)序數(shù)據(jù)集(常規(guī)RNA測(cè)序或者單細(xì)胞測(cè)序),利用計(jì)算方法來找到數(shù)據(jù)特征和腫瘤的關(guān)聯(lián);2.利用scRNA-seq數(shù)據(jù),結(jié)合這些亞群的詳細(xì)細(xì)胞表型來鑒定能夠區(qū)分這些亞群的標(biāo)記,同時(shí)在動(dòng)物或者模型中做進(jìn)一步的功能研究。最新的一些scRNA-seq研究就發(fā)現(xiàn)腫瘤表達(dá)譜與正常發(fā)育細(xì)胞之間的相似性,提出了關(guān)于腫瘤起源和其中發(fā)生的持續(xù)分化過程的具體假設(shè)。像人類圖譜計(jì)劃(HCA)這樣的對(duì)腫瘤,正常組織和發(fā)育過程進(jìn)行scRNA-seq的研究,在未來將會(huì)做的更多更廣,也將有更多的發(fā)現(xiàn)。比如,對(duì)H3-K27M midline膠質(zhì)瘤的scRNA-seq發(fā)現(xiàn)惡性細(xì)胞與少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞(OPCs)之間的相似性,與之前文獻(xiàn)報(bào)道的OPCs是該腫瘤的起源候選細(xì)胞結(jié)論一致。此外,惡性細(xì)胞和正常細(xì)胞之間的比較不僅突出了它們之間的相似性,還提供了腫瘤細(xì)胞和其假定的起源細(xì)胞之間差異的詳細(xì)數(shù)據(jù),增進(jìn)了我們對(duì)致癌過程的理解。
 
來源:Filbin et al., 2018
 
五.獨(dú)特的腫瘤表型和特殊反應(yīng)群體:N = 1組的單細(xì)胞分析
 
盡管常規(guī)的治療決策是基于大群體的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,但是異常值也是非常常見的,而且具有非常重要的作用。例如,“特殊反應(yīng)者”表明了我們對(duì)治療反應(yīng)和理論療效的局限性認(rèn)識(shí)。在過去,我們通過對(duì)這些病例的bulk測(cè)序進(jìn)行遺傳分析,但很難去理解他們的表型獨(dú)特性。隨著scRNA-seq等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,為我們理解這些獨(dú)特表型提供了可能。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)特有表型時(shí),針對(duì)這樣的N=1樣本進(jìn)行scRNA-seq可能對(duì)于理解其表型的分子基礎(chǔ)非常有用。

長期以來,由于缺乏準(zhǔn)確測(cè)量腫瘤中單個(gè)細(xì)胞的分析工具,腫瘤異質(zhì)性使得腫瘤生物學(xué)家和臨床醫(yī)生感到困惑。而腫瘤單細(xì)胞檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展使得困惑可能得以一一解開。通過檢測(cè)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),有可能為我們重新定義腫瘤起始和進(jìn)化奠定理論基礎(chǔ)。通過對(duì)腫瘤中單細(xì)胞的全面分析,將有助于我們對(duì)腫瘤的了解和個(gè)性化治療。目前,人類腫瘤單細(xì)胞基因組學(xué)研究才剛剛興起,但隨著技術(shù)的發(fā)展,研究的不斷深入,將為我們更多的發(fā)現(xiàn)鋪平道路。

文獻(xiàn)來源
Suva, M. L. and I. Tirosh (2019). "Single-Cell RNA Sequencing in Cancer: Lessons Learned and Emerging Challenges." Mol Cell 75(1): 7-12.
 
來源:上海生物芯片有限公司
聯(lián)系電話:400-100-2131
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