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【Cell】 - 质谱流式解析患者来源的类器官的异质性药物反应机制

作者:思百拓(上海)仪器科技有限公司 暂无发布时间 (访问量:3089)

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患者来源的类器官组织(PDOs)是一种个性化的癌症模型,可模仿母体肿瘤对化疗的反应,有几项研究提出将 PDOs 作为药物反应的个性化模型。PDO 可与基质细胞和免疫细胞共同培养,以再现肿瘤微环境( TME) 的主要特征,但这如何改变 PDO 表型和药物反应机制尚不清楚。此外,PDO 对药物的敏感性通常是通过总的细胞存活率来测量的,这种方法无法解析共培养中的细胞类型特异性,也无法从机理上深入了解药物反应。

 

为了克服这些困难,伦敦大学学院癌症研究所的研究者利用Standard BioTools公司的质谱流式(CyTOF®)多参数,低背景,无荧光串色,数据质量高等技术优势,于前期研究中开发了一种多参数的巯基反应类有机体原位编码(TOBis)质谱流式(CyTOF®)平台,用于结直肠癌(CRC)类器官样本的研究,能够实现对类器官样本的原位混样并进行质谱流式(CyTOF®)检测,从而克服类器官研究中,组别多,样本量少,难以对翻译后修饰(PTM)信号检测的限制。[1] 而在2023年11月发表在《Cell》杂志上的《Trellis tree-based analysis reveals stromal regulation of patient-derived organoid drug responses》这篇文章,这个实验室进一步利用前期建立的TOBis质谱流式(CyTOF®)平台深入解析了抗癌药物如何调节 CRC PDOs 的PTM信号传导和细胞状态。[2]

 

 

 

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图1. 用TOBis质谱流式(CyTOF®)检测类器官的细胞类型和细胞状态的实验流程。【1】

 

 

 

为了研究肿瘤相关成纤维细胞(CAFs) 如何调控患者特异性药物反应信号,作者建立了一个高通量三维类器官共培养系统,该系统由 10 个单独培养或与 CRC CAFs 共同培养的 CRC PDOs组成。类器官培养物一式三份,分别用5-氟尿嘧啶(5-FU)、SN-38(伊立替康的活性代谢物)、奥沙利铂和西妥昔单抗(EGFR抑制剂)、LGK974(PORCN 抑制剂)、Berzosertib(VX-970)进行处理。样本随后进行TOBis质谱流式(CyTOF®)染色和检测流程。作者设计了44个marker的CyTOF® panel,可识别细胞类型、细胞状态、DNA 损伤和 PTM 信号转导。最终作者从 2,520 个三维培养物中获得了超过 1,000 万个 PDO 细胞和超过 1,500 万个 CAFs(3,360 个细胞类型特异性的PDO+CAF单细胞信号数据集)。

 

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图2. TOBis 质谱流式(CyTOF®)进行单细胞 PTM PDO-CAF 药物筛选的方案和流程

 

 

 

由于涉及到三千多个单细胞数据集的挑战,作者还开发了新的质谱流式(CyTOF®)数据分析方法Trellis,能够将处理与配对的对照样本嵌入树状结构并进行可视化。作者使用配对 Trellis 分析了 3,360 个(1,680 个 PDO、1,680 个 CAF)单细胞 PTM 图谱(>2,500 万个单细胞),探索了 PDO和 CAF的药物、患者和微环境特异性治疗反应。发现PDOs表现出明显的患者和微环境特异性药物反应,但CAF信号传导并未因患者或药物而聚集,这表明化疗主要改变了PDOs而非CAFs的细胞状态、DNA损伤和PTM图谱。

 

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图3. Trellis:基于树状结构的单细胞治疗效果分析

 

 

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图4. 对单细胞 PDO-CAF 药物反应的 Trellis 分析

(B) PDO 药物治疗特异性反应。左侧为配对组相对应的对照组,在 PHATE 1 上评估治疗效果,在 PHATE 2上评估响应机制。

(C)患者特异性药物反应解释了不同的化疗敏感机制和化疗难治性患者。

(D)CAFs可为患者提供特异性的5-FU、SN-38和奥沙利铂化疗保护。

 

 

同时,作者还利用质谱流式(CyTOF®)多参数检测的特点,能够同时对细胞的凋亡,增殖,DNA损伤等多种细胞状态进行分析,替代了传统药物筛选中单纯以细胞活死评估药效的检测方法,可以检测到不会导致细胞死亡的靶向治疗效果。分析的结果显示化疗在几乎所有 PDO 中都显示出靶向有丝分裂停滞(83%),但只有一部分患者和治疗组合会引发细胞凋亡(40%)。这表明靶向药物反应在 CRC PDO 中很常见,但往往不足以诱导细胞死亡。因此作者进一步分析了化疗敏感型和化疗难治型PDO的特征。发现与化疗敏感性患者相比,即使化疗难治性 PDO 也会出现靶向药物反应,通常引起较低的双链断裂反应,不会激活 PARP 或 Caspase-3,这意味着药物诱导的细胞抑制应激无法引发广泛的 DNA 损伤和细胞凋亡。化疗难治型PDO通常具有高水平的细胞内 pSMAD2/3、pSMAD1/5/9、pMKK4、pBAD、pBTK 和 pNF-κB 信号传导,这些通路与化疗难治型细胞状态有关。总之,TOBis质谱流式(CyTOF®)和Trellis分析显示,靶向药物活性在CRC PDO中很常见(甚至在化疗难治性PDO中),但细胞毒性是患者特异性的,与细胞内在的PDO细胞状态和PTM信号相关。

 

 

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图5. PDO 药物反应机制针对特定患者,与细胞内在状态和 PTM 信号相一致

(B) 在药物治疗过程中,Trellis分析中细胞的特异性分布揭示了靶细胞状态的变化。

(E) 细胞内源性 PTM 信号转导节点的 TreEMD-PHATE 显示 PTM 在化疗难治性 PDO 中上调。

 

 

为了从功能上探索 CAFs 在患者特异性 CRC PDO 药物反应中的作用,作者对药物治疗后的 PDO 单培养物和 PDO-CAF 共培养物进行了并行 Trellis 分析;Trellis 显示,CAFs 能以患者和药物特异性的方式提供不同程度的化学保护。CAFs 可以快速调节 PDOs 中的 PTM 信号网络,并使以前对化学药物敏感的癌细胞向新的难化疗细胞命运转变。

 

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图6. CAF对PDO 21 和 PDO 27 中的PTM 信号网络的调控。CAF 下调受保护 PDO 中的 MAPK 和 PI3K 通路,上调 SMAD、 NF-κB 和 BAD 信号转导节点。

 

本实验室同时间发表在《Cell》杂志上的《An oncogenic phenoscape of colonic stem cell polarization》(详见:《【Cell】-质谱流式揭示结肠干细胞极化表型》)中表明,结肠干细胞存在于一个连续的可塑性景观中,从增殖性结肠干细胞(proCSCs)到缓慢循环的复活结肠干细胞(revCSCs)。[3] 结合前期的数据结果,作者同样发现细胞间CAF信号传导能以患者特异性的方式驱动proCSC向revCSC的细胞命运转变,从而保护癌细胞免受化疗。

 

总之,作者利用Standard BioTools质谱流式(CyTOF®)的技术优势,开发出TOBis混样质谱流式(CyTOF®)检测平台,实现了高参数的类器官单细胞 PTM 图谱分析和基于Trellis分析方法的治疗效果分析,揭示了成千上万个PDO-CAF培养物中患者特异性的药物反应,为研究异质性药物反应机制提供了新的机会。

 

 

 

 

参考文献:

[1]Qin X, Sufi J, Vlckova P, et al. Cell-type-specific signaling networks in heterocellular organoids. Nat Methods. 2020;17(3):335-342. doi:10.1038/s41592-020-0737-8

[2]Ramos Zapatero M, Tong A, Opzoomer JW, et al. Trellis tree-based analysis reveals stromal regulation of patient-derived organoid drug responses. Cell. 2023;186(25):5606-5619.e24. doi:10.1016/j.cell.2023.11.005

[3] Qin X, Cardoso Rodriguez F, Sufi J, Vlckova P, Claus J, Tape CJ. An oncogenic phenoscape of colonic stem cell polarization. Cell. 2023;186(25):5554-5568.e18. doi:10.1016/j.cell.2023.11.004

 

 

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