细胞生长速率和基因表达揭示了为什么一些肿瘤细胞在治疗中存活
通过研究癌细胞的物理和基因组特征，麻省理工学院的研究人员提出了一种新的方法来调查为什么一些癌细胞能通过药物治疗存活下来，而另一些却会死亡。
他们的新方法将细胞质量和生长速率的测量与细胞基因表达的分析结合起来，可以用来揭示新的药物靶点，从而使癌症治疗更有效。利用这些目标可以帮助摧毁细胞用来战胜原始目标的防御机制药物治疗，研究人员说。
这篇文章发表在11月28日的杂志上基因组生物学，研究人员发现了一种在胶质母细胞瘤细胞中活跃的生长信号通路，这种细胞对一种名为MDM2抑制剂的实验性药物有耐药性。
“通过测量细胞的质量和增长速度立即单细胞RNA-sequencing之前,我们现在可以使用细胞的“健身”分类药物反应或停止响应,并与这个潜在的分子途径,”说,亚历克斯·k·Shalek Pfizer-Laubach职业发展助理化学教授麻省理工学院医学工程与科学研究所(IMES)成员、科赫综合癌症研究所(Koch Institute for Integrative Cancer Research)的校外成员、拉贡与布罗德研究所(Ragon and Broad Institutes)的准成员。
沙利克和斯科特·马纳利斯是麻省理工学院生物工程和机械工程系的安德鲁和厄娜·维特比教授，也是科赫研究所的成员，是这项研究的资深作者。这篇论文的第一作者是罗伯特·基默林(Robert Kimmerling)，他最近获得了麻省理工学院的博士学位。
癌症细胞分析
大约十年前，Manalis的实验室发明了一项技术，允许研究人员测量单个细胞的质量。近年来，他们对该设备进行了改进，该设备可以在细胞通过微小的通道时测量细胞的质量，这样它就可以通过在短时间内重复称重细胞来测量细胞的生长速率。
去年，Manalis和他的同事与Dana-Farber癌症研究所(DFCI)的研究人员合作，用这种方法测试了多发性骨髓瘤(血癌的一种)患者肿瘤细胞的药物反应。在用三种不同的药物治疗细胞后，研究人员测量了细胞的生长速度，发现它们与细胞对治疗的敏感性相关。
Manalis说:“单细胞生物物理特性(如质量和生长速率)提供了药物反应的早期指标，从而提供了在耐药性细胞仍然存活时区分敏感细胞和耐药细胞的潜力。”
在他们的新研究中，研究人员想添加一种基因组成分，他们希望能帮助揭示为什么只有特定的细胞对特定的药物敏感。“我们希望能够进行这些测量，并为细胞为什么以某种方式生长或行为添加一些生物学背景，”基默林说。
为了实现这一目标，Kimmerling和Manalis与Shalek合作，Shalek在单个细胞的信使RNA (mRNA)测序方面有丰富的经验。这个信息可以提供一个快照，在一个特定的时刻，哪些基因在单个细胞中被表达。
研究人员修改了细胞称重系统，使细胞在流经系统时均匀间隔，这样当它们离开系统时更容易一次收集一个。在20分钟的过程中，这些细胞被称重几次以确定生长速率，一旦它们到达通道末端，就会立即被捕获并破裂，释放RNA以供分析。然后，沙利克的实验室对每个细胞的RNA进行了测序。这种方法使每个细胞的质量和生长速度与其基因表达直接相关。
一旦系统开始工作，研究人员就与DFCI的Keith Ligon和他的实验室合作进行分析癌症细胞来自一个患有胶质母细胞瘤的病人，这是一种侵略性的大脑癌症。研究人员用MDM2抑制剂治疗这些细胞。MDM2抑制剂是一种有助于增强p53功能的药物，而p53是一种帮助细胞阻止肿瘤形成的蛋白质。这类药物目前正在临床试验中，用于治疗胶质母细胞瘤。在动物实验中，这种药物对肿瘤有效，但肿瘤后来往往又重新长出来。
在这项研究中，研究人员希望找出其中的原因胶质母细胞瘤MDM2处理后细胞存活。他们对这些细胞进行处理，在处理16小时后测量它们的生长速度，然后对它们的RNA进行测序。“在细胞失去活力之前，我们可以测量它们的质量和它们的增长速度揭示药物对该治疗的反应异质性，然后将其与基因表达联系起来，”基默林说。
重要的是，研究人员发现了对药物没有反应的细胞亚群。RNA测序显示，在具有应答性的细胞中，程序性细胞死亡所需的基因被打开了。与此同时，在那些似乎对药物不敏感的细胞中，发现了参与mTOR(一种参与生长和生存的信号通路)的基因。
“让我们感到兴奋的是，我们现在有了一份可以研究的生物目标清单，”基默林说。“我们可以由此得出可验证的假设基因表达这些信号在药物治疗后继续生长的细胞中表达得更高。”
可能的药物靶点
研究人员现在计划探索靶向一些在无反应细胞上发现的基因的可能性，希望开发出可以与最初的MDM2抑制剂一起使用的药物。他们还希望将这种方法应用于其他类型的癌症。有些肿瘤，如血癌，比实体瘤更容易研究，实体瘤更难分离成单个细胞。
“希望我们能够将这项技术应用于任何可以分离成单细胞群体的样本，”基默林说。
细胞的另一种可能的应用增长测量技术正在研究肿瘤细胞来预测他们会对某一特定的药物。基默林、马纳利斯和其他一些人成立了一家名为Travera的公司，该公司已经获得了这项技术的许可，并希望开发出供患者使用的技术。基默林说，该公司目前还没有在这项技术的RNA测序方面进行工作，但这一元素在未来也可能是有价值的。
进一步探索
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