科學(xué)家們繪制出惡性白血病的藍圖
最近,哈佛大學(xué)Ludwig中心的研究小組利用單細胞技術(shù)和機器學(xué)習(xí)為急性髓細胞白血病(AML)創(chuàng)建了一個詳細的“細胞狀態(tài)圖譜”,可以幫助改善對侵襲性癌癥的治療。AML的特征在于骨髓和血液中白細胞的積累。眾所周知,這種疾病難以研究,因為AML患者的骨髓含有多種正常和惡性細胞類型。這包括具有干細胞樣特性的未分化的原始癌細胞和以不同方式影響腫瘤環(huán)境的分化的成熟癌細胞。 AML細胞也不斷獲得DNA突變,分支成相關(guān)“亞克隆”的譜系。
“自20世紀60年代以來,我們已經(jīng)以定性的方式知道AML腫瘤是細胞的異質(zhì)混合物,”該論文的主要作者,博士后研究員Peter van Galen說:“現(xiàn)在,我們有一種定量的方法來確定這些腫瘤中存在的不同細胞類型。”
這項新研究將于2月28日在線發(fā)表在Cell上,Bernstein及其同事,包括Ludwig Harvard研究員Jon Aster和Andrew Lane,結(jié)合單細胞RNA(scRNA)測序,閱讀納米孔DNA測序和機器學(xué)習(xí)等技術(shù),區(qū)分正常細胞和癌細胞,并根據(jù)它們的DNA序列和基因表達相似性進行組織劃分。
該團隊采用了一種新的scRNA測序方法來捕獲從16名AML患者和5名健康捐獻者中收集的近40,000個骨髓細胞的完整轉(zhuǎn)錄組。scRNA測序捕獲細胞整個轉(zhuǎn)錄組的快照—即在給定時刻存在于細胞中的所有mRNA分子,這使研究人員能夠?qū)⒓毎悍纸獬刹煌念愋筒⒏櫦毎V系的進化。
但AML細胞的基因表達譜可能與正常細胞的基因表達譜相似。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn),該團隊對骨髓細胞進行了單細胞基因分型,篩選了一組已知的AML遺傳標記,以挑選出癌癥。 “要真正指出這一點,我們必須采用第三代DNA測序技術(shù),稱為長讀納米孔測序,它可以增強基因組中突變的檢測,”van Galen說。
長讀序列掃描更長的DNA片段,增加捕獲基因中積累的所有突變的幾率。它使研究人員能夠更有效地識別不同突變細胞(稱為亞克隆)的后代,這些細胞可以不同地影響癌癥的生長速度,轉(zhuǎn)移潛能和對治療的反應(yīng)。
最后,研究人員采用機器學(xué)習(xí)算法將scRNA測序和基因分型數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。最終結(jié)果是不同AML細胞類型的圖譜或“圖譜”以及它們在骨髓環(huán)境中共存的正常血細胞類型。
該圖譜使研究人員不僅可以一目了然地看到哪些細胞是癌細胞,還可以看到它們的狀態(tài) - 原始的,分化的或分化的過程。由于腫瘤樣本是在不同時間點從患者處收集的,研究人員還可以比較個體間AML腫瘤的發(fā)育等級,并跟蹤這些等級從首次診斷到治療和結(jié)果的演變。
研究人員還在一名AML患者中發(fā)現(xiàn)了存在多個亞克隆的情況。 “在至少一個案例中,這兩個亞克隆表現(xiàn)完全不同,并且具有不同的基因表達譜,”作者說道: “一個亞克隆主要是分化,而另一個亞克隆處于高度攻擊狀態(tài),而侵襲性亞克隆的突變與患者預(yù)后不良一致。”
這些發(fā)現(xiàn)也可以解釋為什么利用免疫系統(tǒng)T細胞靶向腫瘤的療法對抗AML的成功率相對較低。研究人員發(fā)現(xiàn)了一類細胞,其行為類似于已知可抑制抗癌免疫反應(yīng)的白細胞。
“你可能會認為這些是正常細胞,但當你看到它們的基因型時,你會發(fā)現(xiàn)它們含有白血病突變,”作者受到。 “這些是腫瘤產(chǎn)生的細胞,可以抑制免疫系統(tǒng)。它是腫瘤的適應(yīng)性生存機制。”
研究人員指出,他們的研究結(jié)果應(yīng)該有助于開發(fā)用于治療AML的免疫療法和精準醫(yī)學(xué)的新策略。
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