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PNAS:单细胞测序技术应用于癌症无创诊断

来源:科学网 2013-12-16 20:27

2013年12月10日著名学术期刊美国《国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences USA)在线发表了北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心谢晓亮、白凡课题组与北大肿瘤医院王洁团队合作的研究结果。在题为“Reproducible copy number variation patterns among single circulating tumor cells of lung cancer patients”的研究论文中,研究人员通过单细胞基因测序手段首次报道了对于癌症病人单个外周血循环肿瘤细胞的全基因组、外显子组测序结果,此项研究对于揭示癌症转移的分子机制具有重要意义,同时还为无创癌症诊断提供了一种新的技术手段。

肿瘤的转移是导致癌症病人死亡的主要原因。早在1896年,澳大利亚籍医生Ashworth首次在癌症病人血液样品中观察到循环肿瘤细胞(Circulating Tumor Cell, CTC)的存在。在肿瘤转移过程中,癌细胞从原发肿瘤脱落,进入血液或淋巴循环系统,其中一些具有高度转移潜能的肿瘤细胞在循环系统中存活下来,成为循环肿瘤细胞,并进一步发展为远端器官转移肿瘤。循环肿瘤细胞是肿瘤发生远处转移的必经步骤,因此在外周血中检测到肿瘤细胞预示着有发生肿瘤转移的可能。

近些年来,对于癌症病人血液中CTCs的计数已逐渐用于癌症治疗的疗效评估。如果能对CTCs进行基因组分析将有助于我们更好地了解肿瘤转移的生物学机制;同时,作为一种非侵袭性的检测手段,CTCs的基因组分析还可以为疗效评价、预后判断以及个体化治疗提供及时可靠的依据。然而,由于循环肿瘤细胞在病人外周血中存在的数量极其稀少,对其进行基因组测序具有较大难度。

在此项研究中,研究人员使用了哈佛大学谢晓亮组最新发明的多重退火和环化循环的扩增技术(MALBAC)成功实现了对于来自癌症病人外周血单个循环肿瘤细胞的全基因组扩增和深度测序。MALBAC技术具有基因组扩增均匀,覆盖率高等众多优势,从而使得研究人员可以在单个细胞水平准确探测全基因组基因拷贝数变异(CNVs)和单核苷酸变异(SNVs)。

研究人员重点研究了肺癌患者外周血循环肿瘤细胞的分子特性。在来自众多肺腺癌患者和小细胞肺癌患者的循环肿瘤细胞中,成功检测到与癌症发生发展相关密切的原癌基因和抑癌基因上的重要单核苷酸变异和插入/缺失。单细胞水平CTCs的基因突变的检测避免了反复穿刺活检给病人带来的伤害和痛苦, 并能及时地提供个体化治疗所需的重要信息,例如导致癌症转移过程中发生表型转换的重要突变,以及癌症治疗过程中产生耐药性的重要突变。

研究过程中研究人员意外地发现来自同一个病人的不同CTC都展现出高度一致的全基因组拷贝数变化模式,和同一病人的转移位肿瘤组织的拷贝数变化模式一致。这种现象在肺腺癌和小细胞肺癌的病人中都得到了验证。此外,在不同的肺腺癌病人中,CTC展现的全基因组拷贝数变化模式具有高度的相似性。肿瘤的异质性长期以来被当作是恶性肿瘤的重要特征。 首次在CTC中观察到的高度一致的拷贝数变异模式将会改变传统上对肿瘤异质性的理解,揭示了特定的拷贝数变异在肿瘤形成及转移中发挥了重要的作用。

进一步研究发现,小细胞肺癌患者的拷贝数变异模式与那些肺腺癌患者明显不同,展现出癌种之间一定的特异性。这种特异性可能跟肿瘤发展、转移所处的微环境相关。这项发现为将来基于CTC拷贝数变异来进行癌症病人分型提供了理论基础。

北京大学生物动态光学成像中心白凡副研究员、中心主任谢晓亮教授以及肿瘤医院王洁教授及为该论文的共同通讯作者。倪晓晖博士和在读研究生苏哲、高妍是这篇论文的并列第一作者。该项研究得到了北京大学985临床医院合作专项经费、青年千人计划科研启动经费以及国家杰出青年基金的支持。(生物谷Bioon.com)

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PNAS
   doi:10.1073/pnas.1320659110

Reproducible copy number variation patterns among single circulating tumor cells of lung cancer patients

Xiaohui Ni, Minglei Zhuo, Zhe Su, Jianchun Duan, Yan Gao, Zhijie Wang, Chenghang Zong, Hua Baic, Alec R. Chapman, Jun Zhao, Liya Xu, Tongtong An, Qi Ma, Yuyan Wang, Meina Wu, Yu Sun, Shuhang Wang, Zhenxiang Li, Xiaodan Yang, Jun Yong, Xiao-Dong Su, Youyong Lu, Fan Bai, X. Sunney Xie, and Jie Wang

Circulating tumor cells (CTCs) enter peripheral blood from primary tumors and seed metastases. The genome sequencing of CTCs could offer noninvasive prognosis or even diagnosis, but has been hampered by low single-cell genome coverage of scarce CTCs. Here, we report the use of the recently developed multiple annealing and looping-based amplification cycles for whole-genome amplification of single CTCs from lung cancer patients. We observed characteristic cancer-associated single-nucleotide variations and insertions/deletions in exomes of CTCs. These mutations provided information needed for individualized therapy, such as drug resistance and phenotypic transition, but were heterogeneous from cell to cell. In contrast, every CTC from an individual patient, regardless of the cancer subtypes, exhibited reproducible copy number variation (CNV) patterns, similar to those of the metastatic tumor of the same patient. Interestingly, different patients with the same lung cancer adenocarcinoma (ADC) shared similar CNV patterns in their CTCs. Even more interestingly, patients of small-cell lung cancer have CNV patterns distinctly different from those of ADC patients. Our finding suggests that CNVs at certain genomic loci are selected for the metastasis of cancer. The reproducibility of cancer-specific CNVs offers potential for CTC-based cancer diagnostics.

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