Nat Rev 丨 如何巧妙使用条形码单细胞技术探索癌症异质性

原创 珍奇 图灵基因 2022-09-01 10:40 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学技术

撰文：珍奇

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亮点：

本篇综述讨论了细胞条形码技术在癌症研究中的使用，强调光学和基因条形码在新发现中的贡献，并讨论了在使用这些方法时的挑战和考虑。

肿瘤往往是由众多基因组特定的恶性克隆组成，其中只有少数克隆可逃避癌症治疗形成有症状的病变。因此，具有高度基因组多样性的肿瘤导致病人死亡的几率更高，但克隆的命运可能是由非基因组特征驱动的。在这种情况下，新技术的出现不仅可以追踪单个细胞及其后代的命运，还可以利用各种全能分析来研究其分子特征。最近快速发展的细胞条形码技术，有助于标记数百万至千万的癌症克隆，并识别与不同微环境中克隆命运相关的复杂机制以及对治疗的反应。2022年8月18日，《Nature Reviews Cancer》杂志发布了一篇名为“Mastering the use of cellular barcoding to explore cancer heterogeneity”的综述，其中介绍了慢病毒细胞条形码技术的发现，强调了这些技术各自的优势和局限性，并讨论了在设计条码实验时必须考虑的一些关键概念。最后，作者提出了新的方向以进一步改善这些技术在癌症研究中的应用。

肿瘤异质性是癌症诊断和治疗的主要障碍之一。在同一癌症类型中，细胞和分子异质性存在于分子亚型、患者、癌症病灶和特定病灶的细胞之间。从细胞的角度来看，肿瘤异质性的特点是具有不同形态和表型特征的细胞亚群。癌细胞虽然起源于体内的单一恶性细胞，但在增殖时，它们的DNA会积累突变。因此，随着时间的推移，肿瘤演变为高度不同的癌症克隆体，在其生存、增殖和侵入远处器官的能力方面具有独特的特性。

在分子水平上，可确定癌症克隆特征的新一代测序技术已经出现。大型癌症基因组学项目，如癌症基因组图谱（TCGA）或国际乳腺癌分子分类学联盟（METABRIC），提供了对肿瘤内异质性的大量深入表述。然而，这些技术通过对数以百万计的细胞进行平均，可能会掩盖低频突变，并提供反映最丰富克隆的基因表达值。在这种情况下，细胞条形码技术提供了一个独特的机会，可以同时全面监测多个克隆的健康状况。细胞条形码方法依赖于用独特的“条形码”标记单个细胞，条形码由半随机的DNA序列组成，或者在遗传或光学条形码的情况下由荧光蛋白组合而成。条形码一旦集成到细胞中，将在分裂过程中被每个细胞复制和继承。因此，条形码会传递给细胞的后代，这种策略使人们能够绘制大量亲代细胞的克隆命运图，其动态范围远远大于scRNA-seq所提供的。

细胞条形码是一种单细胞追踪策略，能够根据对条码（分别为半随机DNA序列或荧光蛋白）的检测来追踪标记细胞及其后代的命运。其中，遗传条形码可通过测序检测不同条形码的丰度；光学条码则通过显微镜和流式细胞仪来研究克隆的命运。文中详细描述的这两种条形码方法都依赖于慢病毒感染，将条形码整合到癌细胞的基因组中。因此，这些标签将传递给后代，确保对克隆的纵向追踪。

图1. 遗传和光学条码所涉及的多步骤流程

癌症中的细胞条码作为一种单细胞追踪工具，可在一定规模上对肿瘤异质性的研究，这在以前是无法用其他方法实现的。在保持经济实惠的同时，它汇集了两方面的优点：批量分析的规模和单细胞测序的精度。因此，遗传和光学条码技术已经成功地用于研究癌症异质性的不同方面。了解不同克隆对外部刺激（包括治疗）的反应，以及对负责肿瘤进展和疾病复发的侵略性克隆的特征，对于设计更好的治疗方法来监测和治疗癌症至关重要。

虽然基因条码和光学条码都可用于追踪癌症克隆，但每种方法都有一些属性使其更适用于关注肿瘤异质性的某些特定方面。基因条码提供了高度多样化的独特条码，允许在更大范围内研究克隆行为，而光学条码提供了在空间范围内识别肿瘤克隆结构的精确性。本文讨论了在选择和使用细胞条形码技术时至关重要的技术特点和考虑因素，以及它们的未来发展。

图2. 遗传和光学条码技术的优势和劣势

图3. 细胞条形码实验的技术挑战

新的细胞条码库和应用每年都在出现，每一个都有新的特点，能够对癌症异质性进行更详细和更全面的分析，这将十分有助于癌症研究。细胞条码已经填补了其他测序分析留下的一些空白，为癌症异质性提供了一个更广泛的整体视图。遗传和光学条码能够同时跟踪多个克隆对选择压力的反应，无论其频率如何。它还能以可承受的成本监测不同器官内产生的数百万个细胞的克隆命运，在单细胞水平上提供对细胞内异质性的密切观察，以及对细胞间异质性和器官间播种的更广泛描述。未来，随着测序、成像和流式细胞仪技术性能的提高和价格的上涨，这些方法的使用会越来越多。当应用于临床相关模型时，这些工具有可能改变我们对癌症进展的理解，并为预测和治疗复发疾病的新策略提供信息。

教授介绍：

Delphine Mérino，Olivia Newton-John癌症研究所所长。其团队主要研究乳腺癌的转移，他们正试图在患者的肿瘤中识别能够逃逸、在淋巴系统或血液系统中存活并成功定植远处器官的细胞，目标是确定最有可能形成临床相关转移的细胞的生物学特征，了解这些细胞如何与其微环境相互作用，以及它们在不同的转移部位之间是否存在差异。

参考文献：

Serrano, A., Berthelet, J., Naik, S.H., et al. Mastering the use of cellular barcoding to explore cancer heterogeneity. Nat Rev Cancer (2022). https://doi.org/10.1038/s41568-022-00500-2