不同类型的膀胱癌细胞具有共同的遗传祖先

为什么一些膀胱癌对一种叫做免疫检查点抑制剂的免疫疗法有抵抗力？宾夕法尼亚州立大学医学院的研究人员发现，肿瘤内细胞的遗传和病理多样性可能是挑战的一部分。

具有鳞状细胞分化的尿路上皮癌的基因组分析。a 具有尿路上皮癌、NOS (UC) 和鳞状分化 (SqD) 的离散和可分离区域的代表性混合组织学膀胱癌的苏木精和伊红 (H&E) 染色。与尿路上皮成分相比，鳞状区域的特征在于存在具有角蛋白形成的肿瘤细胞（块箭头），这是鳞状分化明确的微观特征。比例尺 = 2 毫米。b 对 21 种混合组织学膀胱癌的宏观解剖 UC 和 SqD 区域进行的全外显子组测序显示，与 UC 区域相比，SqD 区域的肿瘤突变负荷显着更高（双侧 Wilcoxon 配对检验，p = 0.02）。c Oncoprint 显示膀胱癌中常见突变基因的突变状态。对于每一位患者，UC 组件中的突变状态显示在左侧，SqD 组件显示在右侧。d, e 两个具有鳞状分化的代表性尿路上皮癌的系统发育分析强调 UC 和 SqD 成分源自共享的前体。每个区域中非同义突变的数量显示在顶部，共享突变以深绿色表示，每个组件私有的突变以浅绿色表示。单个突变的癌细胞分数 (CCF) 由蓝色阴影的程度表示。UC（橙色）、SqD（绿色）和它们假设的正常起源细胞（灰色）用不同的颜色表示。f 配对的 UC 和 SqD 样本之间一致和不一致突变的平均值显示致癌和可能致癌突变的一致性更高 (63. 2% 与所有非同义突变 (33.9%)。

通过与宾夕法尼亚州立大学健康中心 Milton S. Hershey 医疗中心及其他机构的肿瘤学家和研究人员合作，该团队正在努力寻找新的膀胱癌预防策略和治疗方法。

“科学家、医生和患者通常不会想到的一件事是，癌症是一种进化性疾病，”病理学和实验室医学以及泌尿学副教授 Joshua Warrick 博士说。“当我们研究任何肿瘤的细节时，尤其是膀胱癌，我们发现肿瘤的不同部分并不总是相同的。它们通常是异质的，具有不同的外观和遗传特征，这使得肿瘤学家难以治疗它们”

美国每年诊断出大约 80,000 例膀胱癌病例。几十年来，研究人员一直使用铂类联合化疗来治疗从原发肿瘤扩散的转移性膀胱癌患者。治疗计划可能包括一种称为免疫检查点抑制剂的免疫疗法。然而，大多数膀胱癌对这些检查点抑制剂具有耐药性，即使有反应的患者也可能发现他们的肿瘤最终对治疗产生了耐药性。

膀胱癌通常被 Warrick 等病理学家归类为尿路上皮癌。但在局部晚期和转移性膀胱癌中，病理学家可能会遇到肿瘤内的混合组织学或不同类型的细胞。对于膀胱癌，您可能有鳞状细胞分化——一种与尿路上皮癌不同的癌细胞类型。

“这意味着一些患者体内存在两种类型的肿瘤细胞，”Warrick 说。“先前的研究告诉我们，这些患者的癌症可能对治疗反应较弱。了解这些混合组织学肿瘤的生物学起源将有助于我们为这种不断发展的疾病开发新的治疗方法。”

来自多个机构的一大批研究人员和医生与 Warrick 合作开展了该项目，其中包括病理学和实验室医学、泌尿学以及生物化学和分子生物学副教授 David DeGraff，他与纪念大学的 Hikmat Al-Ahmadie 共同领导了这项研究斯隆凯特琳 (MSK) 癌症中心。

“这些合作是关键，”DeGraff 说。“参与该项目的一系列宾夕法尼亚州立大学研究人员，以及我们在纪念斯隆凯特琳 (MSK) 癌症中心和其他地方的合作者，帮助我们确保这项研究具有转化性。临床观察塑造实验室研究，反过来，我们的发现有一天可能通过新的预防、诊断或治疗策略导致临床护理发生变化。”

病理学和实验室医学、泌尿学以及生物化学和分子生物学副教授大卫·德格拉夫 (David DeGraff) 指出，参与该项目的一系列研究人员帮助团队确保他们的研究具有转化性。他们正在寻找新的膀胱癌预防策略和治疗方法。

首先，研究人员分析了在 MSK 斯隆收集的近 850 个膀胱肿瘤。其中，69% 的肿瘤是纯尿路上皮癌，而 10% 有鳞状分化的证据。

为了通过更深入的方法研究肿瘤细胞分化和驱动它的生物学过程，Jay Raman 博士、Matt Kaag 博士等泌尿肿瘤学家和 Monika Joshi 博士等医学肿瘤学家向 Warrick 和 DeGraff 提供了来自患者肿瘤的样本收集于 Milton S. Hershey 医疗中心。通过由宾夕法尼亚州立大学公共卫生科学和生物化学与分子生物学助理教授 Vonn Walter 和来自 MSK 斯隆的 Wenhuo Hu 领导的一系列实验和计算分析，研究人员对肿瘤的遗传学有了更多了解。他们表明，虽然尿路上皮癌和鳞状细胞看起来不同，但它们具有共同的遗传祖先或起源细胞。

“我们是第一个展示这个概念的团队，”DeGraff 说。“在疾病进展过程中，尿路上皮癌通过称为可塑性的过程转化为鳞状细胞，但它们具有相同的肿瘤细胞起源。在这项研究之前，关于尿路上皮癌的可塑性是否与肿瘤有关存在争论异质性。”

DeGraff 研究了 FOXA1 等基因的表达和失调如何导致癌症发展，FOXA1 是维持尿道、膀胱和其他区域尿路上皮细胞特性的关键。在这项特殊的研究中，他们发现 FOXA1、GATA3 和 PPARG 的表达缺失可导致膀胱癌的可塑性。

通过进一步分析，研究人员确定具有鳞状分化的肿瘤区域具有独特的干扰素特征，或细胞响应癌症而释放的信号蛋白，这会影响免疫系统与这些细胞的相互作用。他们发现，不仅 FOXA1 的表达减少会激活鳞状细胞中的这种干扰素特征，而且具有混合组织学的肿瘤似乎对一种靶向 PD-L1 蛋白质的免疫检查点抑制剂具有抗性。产生大量这种蛋白质的癌细胞更容易受到免疫疗法的影响。结果发表在《自然通讯》杂志上。

最终，DeGraff 和 Warrick 说他们的研究对临床试验设计和患者护理有一些影响。他们指出，肿瘤内具有异质性或混合细胞类型的患者通常被排除在临床试验之外。由于正在为癌症开发分子预测测试，他们表示非常需要避免活检期间的抽样偏差。如果仅对肿瘤的选定区域进行采样，他们解释说可能会遗漏分化的肿瘤细胞。

“我们的工作对于识别最有可能对某些免疫疗法产生反应的膀胱癌患者具有重要意义，”Warrick 说。“我们发现形态异质性，或肿瘤内存在不同细胞类型，也意味着免疫环境的异质性。需要进一步分析肿瘤和确定最佳治疗方法的临床试验。”

没有病理学系、检验医学系和泌尿外科系，以及捐赠样本进行研究的财政捐助者和患者的支持，就不可能更好地了解癌症。DeGraff 指出，宾夕法尼亚州立大学膀胱癌幸存者小组的贡献受到赞赏，并提醒他工作的重要性。

“作为一名大部分时间都在实验室工作的科学家，与患者建立联系对我来说很有意义，”德格拉夫说。“聆听他们的故事并被他们的慷慨所感动，有助于临床医生和科学家推动这些重要发现向前发展。”