單一細胞分析——為什麼有些癌細胞可以轉移陣地而稱王？

惡性腫瘤轉移（metastasis）一直是癌症治療中最令臨床醫師頭疼的難題， 90% 以上的癌症病人死亡皆導因於此，因此探討癌細胞轉移的起始原因與如何進展對於開發新的治療策略和避免轉移是相當重要而且迫切的議題。轉移究竟是怎麼發生的呢？目前較有說服力的轉移假說是：腫瘤中極少量具有類似幹細胞特性（stem cell-like）的癌細胞，他們若跑到身體的其他部分並生長，即有機會形成轉移腫瘤 [1]。 然而，要辨識出這些轉移起始細胞（metastasis-initiating cells），卻是個困擾著科學家們的大麻煩，除此之外，轉移是否具有階層性（hierarchical），例如早期或晚期癌細胞的轉移能力是否相當？也仍是尚未明瞭的有趣觀點。

不過，幸運地是近幾年發展迅速的單一細胞分析（single cell analysis）技術提供了更進一步的了解方針。在 Investigator 上個月的生物科技專題也介紹了二篇單一細胞基因分析技術的文章（基因體學：一次定序一細胞、結合微流道與條碼 · 解析單一細胞基因表現），讓我們就來實際一探單一細胞分析在癌症領域的運用吧！

加州大學舊金山分校 Zena Werb 所帶領的研究團隊以乳癌細胞作為他們的研究模本，以微流道平台（microfluidics-based platform）進行單一細胞的多重基因表現（multiplex gene expression）分析，其中共包含了過去研究發表的 116 個基因，這些基因分別參與了以下特徵的調控：幹細胞的幹性（stemness）、多能性（pluripotency）、癌細胞轉移常出現的上皮細胞轉形成間質細胞（epithelial-to-mesenchymal transition, EMT）、乳腺細胞系的特性（mammary lineage specification）以及影響細胞週期、休眠及生長的相關基因。

為了找出癌細胞，他們先以正常之乳腺上皮細胞之基因表現作為標準，用來評估轉移細胞的分化程度。乳腺組織包含二種細胞系：一是基底細胞／肌上皮（basal/myoepithelial）細胞系，包含幹細胞；另一種是管腔細胞（luminal）系，包含前驅與成熟細胞，而在前述的 116 個基因裡，這兩種細胞系中有 49 個基因表現有所差異。

接著他們利用流式細胞分選儀（FACS），加上微陣列分析（microarray）的結果找出鑑別人類乳癌細胞的標記—— CD298，從 3 株病人乳癌細胞的異種移殖鼠（xenograft）中分離出轉移的癌細胞 [2]。篩選完並比較了轉移晚期的高負荷組織（high-burden）與早期的低負荷組織（low-burden）的癌細胞基因表現，作者發現二群細胞是存在著差異的！在低負荷組織的轉移細胞中，幹細胞、休眠及 EMT 相關基因的表現量增加；然而高負荷組織的基因表現則類似原本的腫瘤，異質性（heterogeneity）高且已分化程度高。將低負荷組織移植到正常組織顯示他們有更強的腫瘤生成能力，並能分化成較成熟的管腔系癌細胞。若要從早期轉移癌細胞進展到快速增生的腫瘤則需要增加致癌基因（oncogene）—— MYC 表現，並且給予細胞分裂週期基因—— CDK 的抑制劑 dinaciclib 可減少轉移後生長的發生。

這篇研究結果支持了前述腫瘤轉移的假說，腫瘤的轉移具有階層性，轉移起始於具有幹細胞特性的細胞，當這些細胞增生分化時，MYC 表現量上升，細胞增生速度加快，進而造成更嚴重的癌症轉移疾病。過去在細胞分析技術不夠發達時，我們常忽略同一種細胞中可能仍存著相當大的異質性，只能得到平均值而無法反映真實情況，然而，因為單細胞分析技術的成熟，我們可以更加準確地瞄準影響癌症發生或形成轉移的因子，讓我們與癌症的抗戰又向前邁進！

參考資料：

1. Lawson, D. A., Bhakta, N. R., Kessenbrock, K., Prummel, K. D., Yu, Y., Takai, K., … Werb, Z. (2015). Single-cell analysis reveals a stem-cell program in human metastatic breast cancer cells. Nature, 526(7571), 131–135. doi:10.1038/nature15260
2. Oskarsson, T., Batlle, E., & Massagué, J. (2014). Metastatic Stem Cells: Sources, Niches, and Vital Pathways. Cell Stem Cell, 14(3), 306–321. doi:10.1016/j.stem.2014.02.002
3. DeRose, Y. S., Wang, G., Lin, Y.-C., Bernard, P. S., Buys, S. S., Ebbert, M. T. W., … Welm, A. L. (2011). Tumor grafts derived from women with breast cancer authentically reflect tumor pathology, growth, metastasis and disease outcomes. Nature Medicine, 17(11), 1514–1520. doi:10.1038/nm.2454

撰稿｜姚京含
校訂｜紀威佑