浅谈肿瘤异质性

长长的路

广义而言，肿瘤异质性可分为肿瘤间异质性和肿瘤内异质性两类，其中前者指的是不同肿瘤的细胞之间的基因与表型不同，后者指的是相同肿瘤的不同细胞之间的基因与表型也不同。在此，若无特别提及的话，谈及的肿瘤异质性指的是肿瘤内异质性。

肿瘤异质性是恶性肿瘤的特征之一，是指肿瘤在生长过程中，经过多次分裂增殖，其子细胞呈现出分子生物学或基因方面的改变，从而使肿瘤的生长速度、侵袭能力、对药物的敏感性、预后等各方面产生差异。简而言之，肿瘤异质性指肿瘤内既有致瘤细胞亚群，也有非致瘤细胞亚群。

肿瘤内异质性又有空间异质性（相同肿瘤不同区域不同）与时间异质性（原发性肿瘤与继发性肿瘤不同）之分。肿瘤异质性来自环境因素分布及作用的不均一性与基因突变的随机性。正是因为有环境因素不均一性的存在，所以才会有肿瘤“微环境”的说法。基因突变的随机性一方面体现在突变位点的多样性上，另一方面也体现在突变后是否致瘤上。一个细胞的基因突变可致癌，而另一个细胞的基因突变后却不致癌。

肿瘤异质性产生的本质也就在于“外因”（环境）对“内因”（基因）的双重作用。除极个别情况外，肿瘤发生通常只涉及体细胞而不涉及性细胞。因此，人体的绝大多数肿瘤都不会遗传给后代，但种系基因缺陷所致肿瘤遗传倾向例外。

上个世纪三十年代，科学家就已发现小鼠肿瘤的一些肿瘤细胞经过移植可以长出新的肿瘤，但移植另一些肿瘤细胞却不会导至新肿瘤形成，这就提示着到肿瘤在功能和表型上存在异质性。

1976年，Peter Nowell提出肿瘤异质性起源的“克隆演化”理论，认为连续多轮克隆选择是导至肿瘤基因及其他分子变异的根本原因。“克隆”是指无性繁殖，克隆演化只涉及体细胞，不涉及性细胞。

不过近年来，科学家陆续提出肿瘤含有少量肿瘤干细胞，肿瘤干细胞是肿瘤发生的“罪魁祸首”。如果不清除肿瘤干细胞，即便通过放疗或化疗消灭了大部分肿瘤细胞，最终还是因肿瘤干细胞分化产生导至肿瘤复发和转移，并对放疗或化疗产生耐药性。不过，也有不少科学家对这种理论提出异议。

尽管如此，肿瘤异质性依然客观存在，肿瘤中的确既有致瘤细胞也有非致瘤细胞。至于致瘤细胞是否肿瘤干细胞以及它们如何起源，一种观点认为，致瘤细胞既有可能起源于干细胞或祖细胞，也有可能起源于具有分裂能力的普通体细胞。

（1）NEJM：肿瘤其实是高度异质的

根据2012年3月8日发表在New England Journal of Medicine期刊上的一篇论文，研究人员追踪了肿瘤的进化树，从而发现肿瘤存在高度的遗传异质性，这有助于阐明为何个人化癌症治疗可能不是有效的。单次活组织检查(biopsy)将只能深入了解肿瘤内一个位点的突变，而有些突变导至肿瘤对不同治疗方法产生不同反应或预后结果，但是这些突变可能潜藏在肿瘤其他位点，这可能能够解释为何抗肿瘤疗法经常是先能够发挥抗肿瘤功能但是过一段时间后就失去疗效。

“我们在相当长的一段时间内认为肿瘤是癌细胞拼凑出来的，但是这是第一次我们能够使用前沿的基因组测序技术来极其精细地描绘出一个肿瘤的遗传全貌”，论文通讯作者和英国癌症研究中心/伦敦研究所肿瘤遗传学家Charles Swanton说。

Swanton和他的同事们追踪肿瘤基因组进化并研究人肾脏肿瘤的遗传异常性。研究人员在一个病人所患的原发性肾脏肿瘤的几个位点及其几个转移瘤中进行活组织检测，并发现鉴定出的突变当中只有34%在病人所有样品中都是一样的。随后，他们构建出一个原发性肿瘤和一个转移瘤的进化树，结果表明一个癌细胞系在病人身上产生转移瘤，而另一个主要的癌细胞系支持原发性肿瘤生长，这些暗示着基于原发性肿瘤的活组织检测结果进行针对性治疗可能并不能有效地治疗转移瘤。Swanto说，如果能够发现哪些突变在肿瘤内不同细胞之间以及在不同肿瘤之间是相同的，那么科学家可能能够设计出一个更加全面的治疗策略。（New England Journal of Medicine, March 8, 2012, doi:10.1056/NEJMoa1113205）

（2）Science：提出肿瘤异质性新概念
2013年9月，来自美国德州大学MD安德森癌症中心的研究人员对来自11例手术切除的局部肺腺癌病例的48个肿瘤样品进行全外显子组测序。他们鉴别出了7269个突变，并且发现76%的突变以及21个已知癌症基因突变中的20个存在于同一肿瘤的所有区域。

这就意味着在局部肺腺癌中，一些已知的促癌基因组突变似乎一致地存在于整个肿瘤之中，对肿瘤的某一区域进行单次活检就有可能鉴别出其中的大多数突变。

然而，2012年的一项具有里程碑意义的肾细胞癌研究（New England Journal of Medicine, March 8, 2012, doi:10.1056/NEJMoa1113205）发现，大多数促癌变异并不存在于肿瘤的所有区域中，因此对肿瘤的一个区域进行活检并不能很好地描绘出在某个肿瘤发病中起重要作用的癌基因。

综上所述，这就表明肿瘤异质性在不同癌症类型之间各不相同。（Science,10 Oct 2014, doi:10.1126/science.1256930）

（3）Nature特刊：肿瘤异质性

2013年9月19日，Nature期刊针对肿瘤异质性（Tumour heterogeneity）这个主题，详细描述了肿瘤异质性的最新进展，并且分别从异质性和可塑性、异质性对肿瘤发展的影响以及临床上肿瘤微环境异质性对治疗的影响等多个角度进行阐述。

来自玛丽亚-斯克沃多夫斯卡-居里肿瘤中心的研究人员对来自26名患者的原发性乳腺瘤样品进行3次活组织检查，并对雌激素受体、孕激素受体和HER2受体突变进行遗传学检测评估。结果显示，这26例样品中有有7例(27%)患者的3次独立活检结果之间具有显著的异质性。另外，来自美国德州大学的研究人员也采集了51例乳腺癌患者的活组织样品。结果显示，变异数值取决于所检测的基因，但总体上，进行3次活组织检查较单次活组织检查可显著减少变异性。

再者，来自美国德州大学MD安德森癌症中心的分子遗传学家Nicholas Navin及其同事们开发了一种单细胞测序技术，能用于绘制肿瘤图谱。研究人员利用这一技术追查了癌症的进化，追踪了癌症随时间和扩散越来越普遍时不同的细胞亚群。当前的方法是分析整个肿瘤，由此获得来自细胞群体的平均信号。其缺点在于它可能掩盖了最丰富的、也是最恶性的肿瘤细胞亚群。而新方法能随机获得单个细胞的遗传信息，利用单细胞测序，人们就能够在肿瘤中重建这些细胞系，并了解突变的年表。

此外，研究人员也在单个肿瘤样本中发现乳腺癌相关miRNA的表达存在显著差异。他们提出使用miRNA进行诊断或预后需要对不同肿瘤部位和肿瘤相关淋巴结进行取样分析。

研究人员收集了16名病人的132份肿瘤样本，这些病人患有原发性侵袭性乳腺癌，并接受了乳房肿瘤或乳房切除手术。研究人员分别从肿瘤中心、肿瘤外周和中间区域取样。如果发生癌转移，研究人员也对淋巴结进行了取样。他们随后分别对这些样品中的j几种miRNA进行了检测分析。研究结果发现同一患者原发乳腺癌肿瘤和淋巴结转移性肿瘤中的miRNA表达存在巨大的差异。这一异质性的程度与不同肿瘤区域间的异质性相似。（Nature,19 September 2013,doi:10.1038/501327a;doi:10.1038/nature12624;doi:10.1038/nature12625;doi:10.1038/nature12626;doi:10.1038/nature12627）

（4）Nature：肿瘤异质性的快速演变

通过利用来自人乳房成形术的样本和一个DNA条码方法来跟踪由一个致癌基因转化的细胞，Connie Eaves及同事显示，基底细胞和腔细胞在被引入小鼠体内时都有能力启动肿瘤发生。他们的数据表明，与认为肿瘤异质性是由多个致癌事件在很长一段时间造成的观点相反的是，肿瘤细胞的性质在转化之后演变非常快。（Nature,10 December 2015, doi:10.1038/nature15742）

（5）PNAS：肿瘤内遗传异质性 引发肿瘤演化的理论之争

2015年11月11日，来自中国科学院北京基因组研究所的研究人员对肿瘤内部多样性程度进行深入、彻底地探测，不但第一次刻画了肿瘤的空间克隆结构，同时通过建立肿瘤细胞群体遗传理论第一次对肿瘤的遗传异质性水平进行估算，其结果远远超出了达尔文进化过程的估计。

人们对癌症的基本生物学问题还没有足够的认识，这其中包括肿瘤内部的异质性。虽然已经有大量的研究从基因变异、基因表达、表观遗传、细胞形态和行为等多层面阐述肿瘤异质性，对癌症的分型、临床治疗产生了很大影响。但由于无法全面解析肿瘤的异质性和亚克隆结构，一个具有百万以上细胞数量的肿瘤的内部异质性和顽强性往往是被低估的，加上治疗后容易产生抗药性和发生转移，给治疗提出极大的挑战。

在这项研究中，研究人员对同一个肝癌组织中获取将近300个样品并对它们进行基因组测序分析，揭示了肿瘤细胞中遗传多样性水平远远大于预期。一个直径约3.5厘米的肿瘤样品中携带了上亿个基因编码区的突变，几千倍于以往的估算值。由于高度的遗传多样性分布在10亿甚至更多的肿瘤细胞群体中，成百上千的突变存在于较大克隆中，而大部分的突变只在小于100个细胞的小克隆中出现。由于具有这么多的突变，即使经过积极的治疗，极少数的肿瘤细胞能够生存下来的概率还是很高，这些细胞可以增殖形成新的耐药性肿瘤克隆。

在自然群体中，突变、遗传漂变、迁移和自然选择这几种进化驱动力决定了自然群体的遗传多样性水平。1976年，著名学者Peter Nowell提出：正如自然群体一样，肿瘤发生是自然选择等几种进化驱动力作用下的体细胞群体演化过程。这使得肿瘤内部遗传性的形成遵从经典的达尔文过程，成为40年以来癌症生物学领域根深蒂固的观点。

在传统的达尔文理论中，少数有益变异使肿瘤细胞具有生长优势；随着时间的推移，这种有益突变将驱除所有有害的变异。因此，瘤内的遗传多样性是十分有限的。日本遗传学家木村资生指出，在自然群体中观察到的大量的遗传多样性无法仅用达尔文自然选择解释，继而他提出中性进化理论或非达尔文进化过程。这也引发了在演化领域长达几十年的“中性理论—选择理论”之争。

这项研究第一次表明：肿瘤内部遗传异质性的演化实质上是细胞水平的非达尔文过程。在这个过程中，遗传变异会很快出现并快速累积，因此即使微小的肿瘤都可能具有非常高的遗传多样性。同时，这项研究也使得肿瘤内部遗传异质性第一次变得在理论上是可计算的。

不过研究人员表示，这项研究并没有完全否认达尔文选择力在细胞水平上的作用，非达尔文过程可能并不能准确反映出(同一或不同器官)不同肿瘤之间的遗传异质性，或从非肿瘤向肿瘤演化的过程。（PNAS,24 November 2015, doi:10.1073/pnas.1519556112 ）

（6）两篇Nature文章同时发现导至乳腺癌异质性的关键突变

近日，来自比利时的科学家在著名国际学术期刊Nature在线发表了一项最新研究进展，他们在癌基因PIK3CA中发现一个重要突变，可能是导至乳腺肿瘤异质性产生的重要原因。

乳腺癌是女性中一种非常常见的癌症类型，同时乳腺癌包含多种异质性肿瘤类型，可根据不同的组织学和分子特征分为不同亚型。PIK3CA和TP53是乳腺癌中两个常见突变基因，已经有研究发现这两个基因发生突变与多种不同类型的人类乳腺癌具有相关性。但目前导至PIK3CA诱导的肿瘤异质性的细胞来源和分子机制仍不清楚。

在这项研究中，研究人员利用一种遗传方法在小鼠中发现了PIK3CA诱导肿瘤的细胞来源以及PIK3CA基因上发生突变对肿瘤异质性的影响。他们利用小鼠模型发现Pik3ca H1047R突变在基底细胞中以生理水平表达，能够诱导形成luminal ER+PR+肿瘤，而利用另外一种小鼠模型发现，该突变在luminal细胞中表达也会诱导形成luminal ER+PR+肿瘤或基底样ER-PR-肿瘤。

研究人员还发现在删除p53的同时表达Pik3ca H1047R突变能够加速肿瘤发展，并诱导更多的侵袭性乳腺肿瘤。更为有意思的是，在单能的基底细胞中表达Pik3ca H1047R能够形成luminal样细胞，而在单能的luminal细胞中表达则会在发展为侵袭性肿瘤之前形成基底样细胞。这表明Pik3ca H1047R突变的出现能够改变单能祖细胞的细胞命运。随后研究人员对发生命运转换的单能祖细胞进行了转录分析，发现这些细胞中确实发生了基因表达的重编程。（Nature,03 September 2015, doi:10.1038/nature14665; doi:10.1038/nature14669）

（7）Cell子刊：前列腺癌发病率与异质性存在种族差异

最近一篇发表在Cell子刊Trends in Cancer的文章指出，前列腺癌发病率和异质性存在种族差异。前列腺癌是一种临床肿瘤分子异质性疾病，相比其他瘤种存在着明显的肿瘤异质性，不同亚型的前列腺癌患者在DNA水平、表观遗传学等分子水平上的存在巨大差异。其肿瘤异质性在很大程度影响到前列腺癌患者的早期诊断、治疗和预后监测。

目前对于前列腺癌的临床预后分型仍不够精确。近年来，前列腺癌在不同种族的发病率差异成为流行病学研究的关注点之一。在目前看来，引起前列腺癌在不同种族人群中发病率存在差异的分子机制仍知之甚少。

几组研究结果表明，在非裔美国人男性人群中前列腺癌患者的血清中往往出现较高水平的雌二醇和前列腺特异性抗原（PSA）。同时非裔男性人群在癌症晚期的整体生存水平相比高加索人群要差很多。相比之下，在美国，亚洲男性和亚裔美国人在前列腺癌发病率要低很多。但尽管亚洲男性在前列腺癌的发病率相对较低，但是事实上在亚洲的男性更容易发展为前列腺癌晚期，原因可能是缺乏癌症早期检测所需的分子筛查方法和肿瘤异质性筛查诊断工具等现实原因。（Trends in Cancer, March 2016, doi:10.1016/j.trecan.2016.01.005）

（8）Nat Biotechnol：人类结肠癌异质性图谱

近日来自斯坦福大学的研究人员开发了一种新型的单细胞PCR微流体技术，并利用这一技术对数百个结肠癌细胞进行了单细胞基因表达分析，由此获得了人类结肠癌异质性图谱。相关研究成果发表在《自然—生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上。

肿瘤异质性是恶性肿瘤重要特征之一。肿瘤异质性可以表现在肿瘤分化水平及肿瘤功能水平上，出现异质性的抗原表达或出现不同生物特性细胞亚群。这种肿瘤异质性特性往往给肿瘤的研究和治疗带来极大的困难。

“在过去的数年里，我们一直致力于开发出一种单细胞基因组分析技术，”文章的资深作者、斯坦福大学工程学院及生物工程和应用物理系教授Stephen Quake说：“在新研究中我们利用开发的新技术获得了可喜的具有重要生物学意义的成果。”

研究人员利用这项新技术逐个地对细胞中的基因表达情况进行了分析，从中鉴别出了47种差异性表达的基因，并基于这些结果对结肠癌组织的细胞进行了亚型分类。

新研究的重要发现之一就是揭示了肿瘤异质性产生的根源。长久以来科学家们认为肿瘤是在演进的过程中失去了基因组稳定，发生随机变化而生成了不同生物特性细胞亚群。新研究发现结肠癌细胞形成遵循了正常结肠细胞的分化过程。打个比喻，就如同漫画肖像，绘制的是同一张脸谱，只是某些特征被充分夸大了。癌细胞形成机制与正常细胞完全相同，只是小部分的细胞类型发生了不正常的扩大或减少。

此外，分析结果还显示在肿瘤组织中基因表达上越是接近不成熟细胞的细胞越是呈现恶性特征。基于这些结果，研究人员开发出了一种两基因分类系统，并证实相比于常规的病理学分级，这一简单的分析系统能够更准确地确定疾病的预后。（Nature Biotechnology, December 2011,doi:10.1038/nbt.2038）

（9）Breast Cancer Res Tr：异质的雌激素阳性乳腺癌模型可进行更精确的药物检测

细胞的培养是均一的，然而人类的肿瘤却不是这样。近日来自美国科罗拉多大学癌症中心的研究者报道了，人体雌激素阳性（ER+）乳腺癌模型可以保留其异质性，允许科学家更精确地运用测试药物来检测疾病。相关研究成果刊登在了近日的国际杂志Breast Cancer Research and Treatment上。

“乳腺癌从来没有黑白之分，这些模型允许我们将其中的灰色部分挑选出来”，研究者Peter这样说，他的意思是并不是所有的人体雌激素阳性乳腺癌细胞都是雌激素阳性的。相反在人类肿瘤细胞中，它们或许是依赖雌激素生存的细胞，而且对于抗雌激素疗法比较敏感。在同质ER+细胞培养液中检测测试药物或许几乎不能预测药物是如何对异质肿瘤细胞进行作用的。

这种异质性所引发的乳腺癌大部分具有致命性的特征-有抗雌激素药物的能力。理论上来说，医生可以用抗雌激素药物来杀灭ER+细胞，但是这并不能减缓其他类型乳腺癌细胞的生长，这些乳腺癌细胞或许将来会变成主要的癌症细胞类型，这些ER-细胞更趋向于很难杀灭。

这种新型的异质乳腺癌细胞模型为研究者们带来了两件事情，第一，研究者可以更精确地检测药物的有效性；第二，相比寻找常见乳腺癌的特征，维持这些肿瘤的异质性使得研究者研究什么对于肿瘤是唯一的。（Breast Cancer Research and Treatment, September 2012, doi:10.1007/s10549-012-2164-8）

来源：生物谷