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小细胞肺癌患者来源异种移植物文库的基因组和转录组分析

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发表时间:2022-04-26 15:01作者:武汉新启迪Xinqidibio

摘要

获取临床相关的小细胞肺癌(SCLC)组织是有限的,因为手术切除在转移性SCLC中是罕见的。患者来源的异种移植物(PDX)和循环肿瘤细胞来源的异种移植物(CDX)已经成为表征小细胞肺癌的有价值的工具。在这里,我们提出了一个来源于33例小细胞肺癌患者的46个广泛注释的PDX/CDX模型。我们使用靶向肿瘤新一代测序、RNA测序和免疫组织化学进行多组学分析,以去卷积这些SCLC模型的突变景观、全局表达谱和分子亚型。以转录调节因子为特征的SCLC亚型,ASCL1,神经D1POU2F3在这个群体中得到证实。SCLC临床样本的子集,包括匹配的PDX/CDX和临床样本对,证实了起源肿瘤的主要特征和基因组和蛋白质组景观在衍生的PDX模型中得以保留。该资源为研究小细胞肺癌生物学提供了一个强大的系统。

介绍

肺癌是男性和女性癌症死亡的主要原因,比结肠癌、乳腺癌和前列腺癌的死亡人数总和还要多1。小细胞肺癌(SCLC)是一种侵袭性神经内分泌(ne)肿瘤,约占所有肺癌的15%2,3。大多数患者在诊断时患有转移性疾病,这种情况与< 5%的5年生存率有关4。几十年来,化疗是这种疾病的唯一治疗选择。免疫检查点阻断(ICB)已被证明仅对一小部分患者有效,无论给药方案是单独针对PD-1/PD-L1轴还是与抗CTLA-4联合5。基于III期导入试验133的结果,ICB加化疗已被FDA批准用于小细胞肺癌的一线治疗,该试验表明在化疗中加入阿替唑单抗后,总生存率和无进展生存率有适度但显著的增加6。最近,里海试验的结果导致FDA批准了另一种抗PD-L1抗体——durvalumab,这是基于同样适度但具有临床意义的生存益处7,8。尽管出现了新的靶向治疗,包括PARP、EZH2和BCL2的抑制剂,但它们的临床益处有限,尚未获得监管机构的批准。相对于其他类型的肺癌,小细胞肺癌的治疗选择是有限的,对大多数患者来说只有短暂的好处。

确定有效治疗的一个主要挑战是相对缺乏准确反映小细胞肺癌肿瘤发生的模型系统。接近临床相关组织是有限的,因为手术切除在转移性小细胞肺癌中是罕见的。直到最近,这使得研究人员严重依赖已建立的细胞系和基因工程小鼠模型(GEMM),这两者都有内在的局限性。细胞系通常带有有偏向的突变库,几十年的体外生长进一步选择了这些细胞系。现有的小细胞肺癌细胞系主要是在当前标准的联合治疗出现之前产生的,可能不能准确代表当前的耐药机制。GEMMs通常不能概括由多年烟草使用引起的多样的突变景观9。患者来源的异种移植物(PDX)和循环肿瘤细胞来源的异种移植物(CDX)已经成为研究小细胞肺癌基因组景观的有价值的工具9,10,11,12。这些来自患者的模型有其自身的局限性,最明显的是需要在免疫抑制的鼠宿主中维持,排除了对刺激适应性免疫系统的新疗法的评估。这种限制被几个优点所抵消——特别是接近原发性患者肿瘤,以及避免了与建立能够在体外组织培养环境中生长的克隆细胞系相关的选择压力13。在PDX样本中观察到的表型可以直接追溯到患者,并与对治疗的临床反应相关联10。SCLC患者通常具有较高的循环肿瘤细胞患病率,这已被用作治疗期间肿瘤负荷的生物标志物14。通过收集血液中的循环肿瘤细胞用于CDX建模,可以避免侵入性SCLC肿瘤活检和手术切除15,16.

SCLC亚型最近通过编码四种主要转录调节因子的基因的相对表达来表征和定义,ASCL1, NEUROD1, POU2F3,以及YAP1(分别定义SCLC-A、SCLC-N、SCLC-P和SCLC-Y子类型)17。从那时起,亚型定义的有效性YAP1SCLC-Y现在也被称为“发炎的”基因签名(SCLC-I)12。SCLC-A仍然是最常见的亚型(~50%),其次是SCLC-N (~20%)、SCLC-Y (~20%)和SCLC-P (10%)12,18。反映临床前景,所有以前的出版物仅报道了属于SCLC-A和SCLC-N亚型的pdx/cdx的数据。罕见的非NE SCLC-P亚型尚未被报道为PDX模型,因此其特征不太广泛。

在这里,我们介绍了一个由46个广泛注释的PDX/CDX模型队列组成的资源,这些模型来自33例小细胞肺癌患者。我们进行多组学分析,使用MSK影响的靶向肿瘤新一代测序(NGS)、RNA测序和免疫组织化学(IHC)去卷积这些SCLC模型的突变景观、全局表达谱和分子亚型。我们直接将这些基因组和蛋白质组谱与小细胞肺癌临床标本的子集进行比较,包括匹配的PDX/CDX和临床标本对。此外,我们能够从一个SCLC肿瘤属于POU2F3亚型的个体的一个原发性肿瘤和九个转移性肿瘤建立和深入表征十个PDX模型。因此,我们的研究提供了对包括SCLC-P在内的不同SCLC亚型的PDX/CDX模型的基因组、转录组和蛋白质景观的深入了解

结果

PDX/CDX小组的产生

46个小细胞肺癌PDX/CDX模型(33个患者供体)的临床特征可以在中找到补充数据1。世界卫生组织对小细胞肺癌的病理分类包括两种亚型:小细胞肺癌(“纯”小细胞肺癌)和混合型小细胞肺癌,后者表现为与任何非小细胞肺癌组织学相混合19。我们的队列包括5例代表混合型小细胞肺癌的病例:3例为大细胞NE成分,1例为鳞状细胞癌,1例为腺癌。在46个模型中,40个(87%)是组织来源的pdx,6个(13%)是cdx。平均肿瘤植入时间为112天,PDXs (110天)和CDXs (131天)之间没有明显差异。在最初注射以建立PDX模型的198个纯SCLC和29个混合组织学样本中,分别有45个样本(23.81%)和13个样本(44.83%)成功移植。对37个样品进行了IHC,对43个样品进行了RNA-seq,对42个样品进行了通过MSK-IMPACT的NGS(图。1a).患者队列中55% (18/33)为男性,45%为女性,诊断时平均年龄为66岁。大多数患者捐献者,33人中的27人(82%)是现在或以前的吸烟者。33名患者中的19名(58%)出现广泛期(ES)疾病,而其余的(14/33,42%)出现有限期(LS)疾病。治疗史和样本收集描述见图。1b大多数患者在收集用于模型生成的样品后或之前立即接受顺铂或卡铂和依托泊苷治疗。IHC和靶向NGS通过MSK-IMPACT分别可用于19和26例衍生pdx/cdx的患者肿瘤(图。1a).

图1:PDX/CDX小组的产生。
figure 1

a患者来源/循环肿瘤细胞来源异种移植物(PDX/CDX)队列和临床标本概述。从手术、胸腔积液、活检、尸检、EBUS、神经Met和CTC分离中收集样本,或者移植到免疫缺陷小鼠中以产生PDX/CDX模型,或者直接送去进行靶向测序(MSK-IMPACT)和免疫组织化学(IHC)。创建于BioRender.com. b描述治疗过程中PDX/CDX队列样本收集的游泳者图(铂类治疗—黑色箭头,其他治疗—灰色箭头)。来自活检的模型用蓝色或灰色的点标注(分别用下一代测序[NGS]或不用)。来自循环肿瘤细胞(CTC,用NGS测序)的模型用橙色点标注。深蓝色表示临床样本的NGS (MSK影响)。箭头不按治疗持续时间的比例绘制。

匹配的PDX和临床小细胞肺癌样本的MSK影响靶向肿瘤测序

我们对我们的患者肿瘤与PDX模型进行了比较基因组分析,以建立PDX模型与在同一时间点收集的患者肿瘤标本相比的基因组保真度。总共42个PDX样本和26个临床样本通过MSK影响靶向肿瘤测序进行了分析20,21,22。其中,18个病例包括配对,这些队列中前20个改变的基因如图所示。2。与已知的小细胞肺癌的关键特征一致,NGS揭示了突变(主要是错义突变和截短突变)与罕见的剪接和框内突变TP53在26例临床样本中的24例(92%)中,截断剪接突变、结构变异和深度缺失RB1在26份临床样本中的21份(81%)中(图。2a).尽管小细胞肺癌中MAPK途径突变很罕见,但两个临床样本(P-0039208-T01-IM6和P-0039208-T02-IM6)携带喀斯特地貌无放大TP53RB1突变23。值得注意的是,这些样本还藏有MDM2扩增,这仅在26个临床样本中另一个样本中发现。MDM2是的负调节器TP53,所以扩增诱导的过表达可能在功能上失活TP53,潜在的表型复制错义/截断TP53这些样本中的突变。从不吸烟患者的四份样本(样本P-0022320-T01/2-IM6和P-0025975-T01/2-IM6)显示了致癌突变肾小球滤过率符合肺腺癌的组织学转变24。对…的改动PIK3CA,KMT2D,以及spencerian 斯宾塞也被观察到;并且可以追溯到匹配的临床样本。

图2:匹配的PDX和临床小细胞肺癌样本分析。
figure 2

小细胞肺癌的基因组景观(a临床样本,b患者来源的异种移植物(PDX)样本,c成对的临床-PDX样本)代表MSK-IMPACT检测到的前20个最频繁改变的基因中推定的驱动因子改变(即,排除未知显著性的变体)的样本20有针对性的下一代测序。

与临床样品相比,在42个PDX样品的基因组图谱中鉴定出更高密度的改变,尤其是拷贝数的改变(图。2b),这与来自PDX癌细胞的更高纯度的人类基因组DNA一致(由于缺乏人类基质细胞25).的突变TP53RB1被大量保留(分别占样品的90%和76%)。一名患者(MSK773)产生了几个PDX,其PDX模型始终显示剪接位点突变TP53CDKN1B和一个错义突变抑癌基因。MSK1053、MSK511c和MSK773D/E/G/I样本携带突变。SMARCA4、STK11、KEAP1,以及蛋白酪氨酸磷酸酶受体S(MSK511c除外);非小细胞肺癌中更常见的突变26-27.

对于18个病例,配对的临床PDX样本可用于直接比较,以确定PDX样本是否保留了原患者肿瘤的特征(图。2c).大多数(89%,16/18)对保留了基因组改变TP53RB1。衍生自MSK599和MSK871的pdx都缺乏TP53在相应的临床样本中发现的变化。此外TP53RB1大多数匹配的样本包含相同的额外突变,少数样本表现出变异性。比如MSK304B丢了PIK3CAFOXA1扩增在PDX样本,但获得了一个MYCL放大。观察到的差异可能反映了用于直接测序的活检相对于PDX代的内在克隆异质性,或者可能是由于PDX代的瓶颈和选择;这些可能性并不相互排斥。总的来说,这些结果表明,在衍生的PDX模型中,原始肿瘤的基因组景观的主要特征得以保留。

小细胞肺癌亚型和NE标记

病理学家从形态学上证实了供体患者活检的SCLC诊断。选定的病例显示梭形细胞和嵌套生长模式,以及片状/固体形态的优势。苏木精-伊红(H&E)染色的小细胞肺癌PDX组织学的代表性例子如图。3a。基于转录调节因子的表达,SCLC被分成生物学上不同的亚型ASCL1,NEUROD1,POU2F3, 和YAP117。然而,最近的报告显示,只有零星的表达YAP1在临床样本和cdx中28,29,质疑的作用YAP1在SCLC中。我们对37个PDX/CDX样本进行了IHC,病理学家对每种蛋白的阳性细胞比例以及染色强度(H-分数)。在我们之前由IHC对原发性人类肿瘤的分析中,我们注意到许多小细胞肺癌共表达ASCL1和NEUROD1,定义了这些因子的二分法表达之间的中间物28。数字3a显示了四个选定病例的代表性染色ASCL1,神经D1, POU2F3,以及ASCL1/NEUROD1子类型(见补充图。14对于其他情况)。大多数pdx显示中/高H-的分数表达式ASCL1,神经D1,或者两者都有。来自一名患者(活组织检查和死后不同组织部位)的10个pdx(MSK 773,B-L)的独特子集对以下呈强阳性POU2F3而其他亚型定义的转录因子为阴性(图。3一,b). YAP1无论细胞内定位如何(细胞核或细胞质染色,补充图),在所有样品中表达始终缺失或非常低。5a).这与上文提到的近期研究相类似28,29,进一步表明YAP1可能不是区分SCLC亚型的最佳标记。

图3: SCLC亚型注释和神经内分泌标记。
figure 3

a显示了所示蛋白质的H&E和免疫组织化学图像。比例尺,50 μM。显示了四个代表性肿瘤。对每个样品的三个独立的核心进行H&E染色,并用此处显示的代表性实例来指示蛋白质。b热图描绘了来自37个评分的患者来源的异种移植物(PDX)肿瘤的H评分,显示了每种蛋白质的阳性细胞分数,以及染色强度。带有叉号(MSK95,NCAM1)的白色方框表示染色失败。源数据作为源数据文件提供。c热图描绘了来自18对PDX肿瘤和临床样本的H分数,显示了每种蛋白质的阳性细胞比例,以及染色强度。带叉的白色方框表示没有可用的染色。源数据作为源数据文件提供。d所选标记的43个PDX样本的基因表达热图;ASCL1、NEUROD1、POU2F3和YAP1。顶部的彩色编码面板描述了基于免疫组织化学(IHC)或RNA测序的治疗状态(未治疗或已治疗)和亚型注释。源数据作为源数据文件提供。

与之前的文献一致,所有POU2F3-表达pdx也表达真菌学(图。3b和补充图。14).大多数pdx(除了5个)显示NE标记NCAM1的高表达;大多数也表达突触体素,尽管在胚胎中表达较低或缺失。POU2F3PDXs(图3b和补充图。14).18例病例的配对样本分析了临床样本和相应的PDX,亚型标记ASCL1、NEUROD1、POU2F3和YAP1的H评分以及MYC的表达在大多数配对中相似或无变化(图。3c和补充图。5B,   6, 7).这些数据表明,PDX队列在很大程度上保留了原始小细胞肺癌活检样本的基因组和蛋白质组特征,增加了对这个模型系统作为研究小细胞肺癌平台的信心。

通过RNA-seq进一步证实了亚型标记的表达(图。三维(three dimension的缩写)).热图显示基于子类型表达聚类的样本(ASCL1,NEUROD1,POU2F3,以及YAP1).基于IHC和RNA-seq的亚型注释在很大程度上重叠,并且在未处理和处理的样本之间没有出现模式。有趣的是,强者YAP1在一些pdx(MSK 599 b、MSK831b、MSK511c、MSK773G、MSK1231、MSK761、MSK900b和MSK773E)中看到的RNA表达在IHC上没有观察到(补充图。5C).最近的数据表明YAP1驱动的SCLC细胞系表达YAP及其同源异二聚体转录辅激活因子TAZ,从而激活和诱导Hippo途径的负反馈调节30。YAP1亚型也与NOTCH表达相关(陷波1、陷波2,以及缺口3)30,31。我们探索了YAP/TAZ和它们在PDX/CDX数据集中的下游转录靶标(补充图。5D).引人注目的是POU2F3-阳性PDX亚群高度表达YAP1下游基因,包括缺口2缺口3,不管是否YAP1本身就表达出来了。ASCL1表示“对象”: analysandNEUROD1如前所述,驱动的pdx基因表达较低,表明该途径在NE亚群中失活30。值得注意的是,两个样本,SCLC-A/N MSK900b和SCLC-A MSK761,表现出相对高的表达。YAP1然而,与SCLC-P模型相似,YAP1蛋白染色不存在(补充图。5C,D).

最近,缺乏ASCL1、NEUROD1和POU2F3高表达的小细胞肺癌根据它们的炎症基因特征被重新分类,包括免疫检查点基因和人类白细胞抗原(HLA ),而不是仅仅根据ascl 1、neuro D1和pou2f 3的表达。YAP112。这促使我们关注HLA的表达和抗原呈递基因的特征12在我们的PDX团队中。43个模型中的7个(MSK831b、MSK511c、MSK325d、MSK773B、MSK773H、MSK761和MSK891)显示了HLA和相关抗原呈递基因如HLA-DRA或HLA-DBP1的高表达(补充图。5e);这些模型是多样的,并没有明确归因于一个独特的亚型或治疗状态(幼稚/治疗)。

不同亚型小细胞肺癌的转录分析

为了比较不同亚型的SCLC肿瘤,我们将主成分分析(PCA)应用于所有样本中按照方差排序的前500个基因(图。4a).SCLC-P肿瘤紧密聚集在一起,与非SCLC-P肿瘤截然不同。SCLC-A和SCLC-A/N形成了具有一些重叠的独立簇。两个缺乏ASCL1的SCLC-N肿瘤紧密聚集在一起,没有基于IHC的亚型注释的肿瘤聚集在SCLC-A或SCLC-A/N队列附近。值得注意的是,两个样品(SCLC-A/N MSK900b和SCLC-A MSK761,在图中标注)。4a)与YAP1类似于SCLC-P样本的下游基因表达模式位于非SCLC-P和SCLC-P样本之间的中间空间,相对接近SCLC-P样本。这两个pdx也紧密地聚集在一起,但在分层聚类中与SCLC-P样本不同(图。4b).SCLC-A/N MSK900b和SCLC-A MSK761均为化疗阴性,所有SCLC-P样本均经过处理。总的来说,治疗状况似乎不是聚集的决定因素(图。4b).

图4:不同亚型的SCLC肿瘤的转录谱分析。
figure 4

a主成分分析图显示了基于免疫组织化学(IHC)亚型注释的43个患者来源的异种移植物(PDX)样本的颜色编码。圆圈表示四个独立的集群(ASCL1-驱动集群,红色;ASCL1/NEUROD1-驱动集群,蓝色;NEUROD1-驱动集群,绿色;POU2F3-驱动集群,紫色)。源数据作为源数据文件提供。b43个PDX样本的无偏层次聚类。顶部的彩色编码面板描述了基于IHC的治疗状态(初始或已治疗)和亚型注释。方框表示五个独立的组(两个ASCL1/NEUROD1-驱动集群,蓝色;一个NEUROD1-驱动集群,绿色;一个ASCL1-驱动集群,红色;一个POU2F3-驱动集群,紫色)。源数据作为源数据文件提供。c使用前100个最高方差基因的样本-样本相关图。使用Spearman相关性,并使用具有完全连锁的分级聚类对样品进行排序。五个集群出现并被装箱(两个ASCL1/NEUROD1-驱动集群,蓝色;一个NEUROD1-驱动集群,绿色;一个ASCL1-驱动集群,红色;一个POU2F3-驱动集群,紫色)。源数据作为源数据文件提供。d43个PDX样本中前50个高表达基因的热图。蓝色表示高表达,绿色表示低表达。颜色键和直方图代表归一化对数2转换计数。源数据作为源数据文件提供。

无偏的等级聚类揭示了不同的聚类,表明一个清晰的聚类属于POU2F3产地(紫色盒子),一簇居多ASCL1产地(红框),一簇NEUROD1产地(绿色方框)和两个独立的集群大多ASCL1/NEUROD1或者ASCL1基于IHC的原产地(蓝框)(图。4b).当分析基于100个最易变的基因时,这些建议的聚类在很大程度上得以保留(图。4c),少数样本没有落入任何聚类或落入与图1所示不同的聚类。4b。然而,当分析基于前50个高表达基因的样品时,聚类略有变化,只有SCLC-P样品的子集形成清晰的聚类(图。4d).SCLC-P的这一子集因高度表达的线粒体基因而引人注目,例如MT-RNR2或者MT-CO3/1。总之,PCA分析和等级聚类揭示了不同的亚型,这些亚型主要反映了肿瘤细胞的相对表达。ASCL1,神经D1, 和POU2F3,包括大量共表达ASCL1NEUROD1.

小细胞肺癌的基因表达特征

为了区分肺ne细胞和非NE细胞,我们使用先前定义的50基因NE信号工具评估了这些PDX/CDX模型32。正如所料,NE亚型(SCLC-A、SCLC-N和SCLC-A/N)与非NE (SCLC-P)亚型明显不同(图。5a).在PCA中最接近SCLC-P组聚集的两个非SCLC-P样本(图。4),MSK761 (SCLC-A)和MSK900b (SCLC-A/N),这里显示了该组群中最独特的基因表达,非NE决定簇基因的高表达和NE基因的显著低转录水平。在NE表达亚群中高表达的基因包括SYN1,INSM1,以及CHGA。深入研究一些突出NE转录调节因子的基因也揭示了NE转录调节因子的高表达。休息BACH2和低表达DLL3ATOH1在非NE SCLC-P亚型中(图。5b).

图5:小细胞肺癌的基因表达特征。
figure 5

43个患者来源的异种移植物(PDX)样本的基因表达热图,用于选择的基因标记;神经内分泌(ne)与非NE基因标记32 (a),对小细胞肺癌至关重要的基因(b),EMT基因签名(c),MYC家族基因表达(d),以及代谢基因签名42 (e).顶部的彩色编码面板描述了基于IHC的治疗状态(初始或已治疗)和亚型注释。源数据作为源数据文件提供。f显示了临床MSK773的POU2F3的H&E和免疫组织化学图像。所示比例尺,20 μMgMSK773A(腺癌)与MSK773A(小细胞肺癌)样本中的基因组景观,代表了通过MSK-IMPACT检测到的改变基因中推定的驱动因子改变(即排除了未知显著性的变体)20靶向下一代测序分析。

虽然小细胞肺癌主要是一种上皮性疾病,但上皮间质转化(EMT)与小细胞肺癌的非NE亚型相关,并由波形蛋白(编码为精力)和上皮细胞粘附分子的丢失(分子)32,33。SCLC-P样品不表达可检测的分子但是表现出可变的(低到中等)表达精力以及EMT转录因子的低表达SNAI1/2ZEB1(图。5c). 分子SNAI1表达是异源的,但倾向于在SCLC-A中最高。从这些基因或更广泛的EMT基因标记中没有出现明确的SCLC亚型关联34(图。5c和补充图。8).这些发现与最近的一份报告一致精力在三个非NE亚型的cdx中表达,表明EMT并不总是SCLC中非NE细胞的标志9.

MYC基因家族成员表达

MYCL MYC,以及MYCN定义一个与小细胞肺癌发生和亚型分化相关的基因家族35,36,37。为了确定MYC家族基因的相对表达,我们分析了大量的RNA测序MYCN MYC,以及MYCL并将其与IHC MYC进行了比较(MYCN和MYCL没有经过验证的抗体)9,38图中数据。3。平行蛋白质评估MYC,SCLC-P样品高表达真菌学在RNA水平上(图。5d).这些样本表达了MYCN在较小的程度上MYCL很少或没有。不足为奇的是,SCLC-A/N MSK900b和SCLC-A MSK761,它们一直与SCLC-P队列聚集在一起,也表达高水平的。真菌学但是没有表达MYCN或者MYCL。大多数SCLC-A样本显示出MYCL,与以前的报告一致39。有趣的是,队列中的两个SCLC-N样本(MSK424和MSK443)具有最高的MYCL转录物表达水平(图。5d).MSK影响靶向肿瘤测序20揭示了一些样品的MYCL扩增MYCL表达式,包括MSK424、MSK304、MSK40、MSK599b、MSK891和MSK736。最近的报道强调,表达不同MYC家族成员的SCLC亚型在代谢上是不同的40,41。我们继续观察新陈代谢的基因特征42有趣的是,与非SCLC-P样本相比,SCLC-P样本显示代谢基因子集的高表达(图。5e)比如ABCB6,PGD,或者G6PD。虽然基因的一个明确的子集在真菌学你好SCLC-P样本中,没有一组明确的代谢基因被调控MYCN你好或者MYCL你好SCLC样本,突出了我们的SCLC样本集中的某种程度的代谢异质性。

SCLC-P模型的起源

大约10%的小细胞肺癌病例是由转录因子驱动的POU2F3;然而,迄今为止,还没有代表该亚型的动物模型的报道。我们有幸获得了一套POU2F3-驱动的pdx,来源于一名70多岁的ES-SCLC男性患者。这位患者一生从不吸烟,这在小细胞肺癌中并不常见,但他在40多年前确实有霍奇金病病史,为此他接受了地幔场放射治疗。患者出现肺部肿块、骨转移和大量胸腔积液,经胸腔积液细胞学诊断为小细胞肺癌。他最初用卡铂和依托泊苷治疗,在最初反应后,在最初诊断的6个月内出现放射学进展。当时他接受了经皮肺活检,由此确定了最初的PDX(MSK 773)。该活检显示混合SCLC和肺腺癌(图。5f).RB免疫表达在小细胞肺癌中消失,在腺癌中保留。由此产生的PDX证实了小细胞肺癌组织学,POU2F3强阳性(图。3).该患者随后接受了ipilimumab和nivolumab治疗,无反应。在死亡之前,患者选择参加我们的机构医疗捐赠计划,允许我们立即进行尸检,从而能够从复发和转移部位(肺、胸、肝、膈肌、肋骨)建立另外九个pdx。如图所示。3,该患者的所有10个样本都POU2F3-通过IHC和RNA测序呈阳性并表达真菌学.

POU2F3在肺中的表达通常严格限制于簇状细胞,即罕见的化学感觉上皮细胞43。高表达和对POU2F3的强依赖性表明SCLC-P亚型可能通过簇细胞的恶性转化而产生44。肺腺癌源于更常见的II型肺细胞或相关祖细胞45。还广泛描述了肺腺癌可以经历组织学转化为NE SCLC,无论是重新开始还是作为对靶向抑制剂的获得性抗性的机制46,47,48。肺腺癌与POU2F3阳性小细胞肺癌的混合(图。5f)意味着II型肺细胞也可能是SCLC-P的前体细胞。本例的混合组织学表明单一癌症分化为两种谱系命运,或者是来源于两种不同起源细胞的独立转化事件的“碰撞”肿瘤。为了区分这些可能性,我们对腺癌和小细胞肺癌成分分别进行了MSK影响测序。共有的体细胞突变和拷贝数变化证实了这些不同组织学之间的克隆性。RB1TP53SCLC特有的损耗(图。5g).这些数据支持SCLC-P可以来源于与肺腺癌相同的起源细胞。来自不同解剖位置的10个MSK773 PDX将成为理解罕见SCLC-P亚型的生物学和进化的特别有用的资源。

讨论

用于功能性询问SCLC景观的现有模型系统包括细胞系和GEMMs。两种模型系统都有局限性;细胞系在成功建立体外克隆生长中具有强烈的选择偏倚,GEMMs缺乏由长期烟草使用引起的突变多样性。因此,需要其他精确概括小细胞肺癌生物学的模型系统。在这里,我们详细介绍了一大群小细胞肺癌PDX/CDX模型,代表不同的疾病阶段和治疗史。我们使用多组学方法,包括IHC、RNA测序和靶向肿瘤下一代测序(由MSK影响公司)在我们的队列中描述了小细胞肺癌的分子亚型和全球基因表达情况。

所有呈现的模型都是成功的移植,第一代肿瘤生长的平均时间为112天。模型来源于多种来源(例如,活检、胸腔积液、血液)和组织部位(例如,肺、淋巴结、肝、脑)。PDX肿瘤在很大程度上保留了原始活检的临床特征,包括小细胞肺癌的特征、肿瘤细胞的失活TP53RB1。我们在原发性肿瘤及其衍生模型的基因组谱中观察到的少量差异的意义仍有待阐明。需要注意的是,这些PDX/CDX模型是在免疫功能不全的小鼠中维持的:缺乏完整的适应性免疫系统和用鼠细胞替代人基质成分可能会改变抗原呈递和免疫谱的肿瘤固有特征。

目前小细胞肺癌的一线治疗标准包括以铂类为基础的ES疾病的化学免疫疗法和LS疾病的化学放射疗法。最近的报告显示,SCLC细胞系对基于亚型的药物治疗有不同的反应;例如,SCLC-P细胞系似乎对PARP抑制敏感12。类似地,小细胞肺癌GEMM模型表明MYC高的小细胞肺癌可能对极光激酶抑制具有选择性敏感性49。随着早期临床试验中新疗法的出现,确定患者的SCLC亚型以验证这些观察结果并为未来的治疗策略提供信息将变得非常重要。与已知的亚型分布一致,我们的大多数样本表达ASCL1或者两者都有ASCL1NEUROD1。我们还发现了10个POU2F3驱动SCLC样本,来自一个施主。这些模型的特征包括通过IHC和RNA-seq高表达POU2F3和MYC,低表达NE标记。基于主要转录因子,通过全局基因表达的无偏等级聚类在很大程度上概括了亚型分配。有趣的是,有两个样品,MSK761和MSK900b,通过转录因子表达被归入ASCL1或ASCL1/NEUROD1组,但它们也聚集在更接近POU2F3驱动的pdx的位置,并通过PCA表达显著。YAP1和它的下游基因如LATS2或者CAV1。如前所述,的作用YAP1作为SCLC的定义亚型标记最近受到质疑,并提出了一种由炎症基因标记定义的新亚型12。虽然MSK761显示抗原呈递基因的高表达,但MSK900b没有。MSK761来源于最初诊断时进行的肝活检。在化学免疫疗法和联合免疫疗法后,来自同一患者血液的CDX样品MSK761c显示高表达ASCL1通过RNA-seq进一步证实的IHC。高潮YAP1在未经治疗的MSK761肝PDX中观察到的表达在随后的MSK761c CDX中没有发现。此外,MSK761c在PCA中不与MSK761聚类,而是与另一个聚类ASCL1这进一步证明了在该患者中发现的肿瘤细胞特征的异质性。这些观察到的差异是否归因于这些样本的来源尚不清楚。撇开这种情况不谈,转录分析并没有揭示治疗和未治疗样品之间的任何主要差异。需要更大的样本量和定义与疾病进展和耐药性相关的基因表达特征。

PDX模式的主要优势是与患者的紧密联系。PDX样本使我们能够从诊断时的患者以及随后治疗过程中的不同阶段生成多个模型,为分析疾病进展和改变药物敏感性建立了强大的资源。我们预计我们的46例PDX/CDX样本队列(来自33名捐献者)将对其他研究小细胞肺癌的研究小组有很大的帮助。这个资源,以及其他类似的资源,提供了一个强大的系统来描述小细胞肺癌的生物学特征,并为小细胞肺癌患者的临床研究治疗策略提供信息。


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