在肿瘤发展的最早阶段，单个细胞内部和细胞之间发生了什么?单细胞测序技术和小鼠模型使研究人员能够全面绘制整个唾液腺肿瘤的细胞多样性，并追踪癌症干细胞的路径。

麦克斯·德尔布吕克分子医学中心的两个研究小组及其合作者在小鼠模型中绘制了整个唾液腺肿瘤的详细细胞图谱，绘制了整个肿瘤及其周围组织中的单个细胞。最近在《自然通讯》中描述的“单细胞”方法已经提供了从癌症发展的最早阶段开始有关细胞组成变化的重要见识。

实体瘤并非像许多人所认为的那样是一团相同的细胞。相反，它是许多不同细胞类型的混合物，除了实际的肿瘤细胞外，还包括多种基质细胞和免疫细胞。

MDC的基因调控元件实验室系统生物学高级研究员，第一作者，由尼古拉乌斯·拉杰斯基(Nikolaus Rajewsky教授)领导的Samantha Praktiknjo博士说：“分子生物学中的常规方法通常将一个样本视为一个整体，而无法识别其中的复杂性。”柏林医学系统生物学研究所(BIMSB)。对肿瘤内不同细胞以及它们如何相互作用的详细了解有助于确定更有效的治疗策略。

人数优势

该团队使用了Rajewsky实验室开发的单细胞RNA测序技术和新颖的表位分析来生成细胞图集，并利用其数据的可重复性和大样本量来鉴定出特定于肿瘤的细胞。

后者可能是通过使用由Walter Birchmeier教授领导的MDC的信号转导和癌症实验室开发的小鼠模型实现的，该模型具有诱发唾液腺鳞状细胞癌的设计突变。该系统可提供稳定的遗传相似肿瘤，从发育的最早阶段开始测序，这对于人类患者几乎是不可能的。

柏林卫生研究院(BIH)的第一作者，作者之一Benedikt Obermayer博士说：“对于患者来说，肿瘤已经发展了，您无法回头再看时间了。” “在这里，我们有一个受如此控制的模型，我们可以观察它的发生。” 第三名作者，曾在伯奇迈尔实验室(Birchmeier Lab)任博士后的朱琼华博士补充说：“要有效地对抗癌症，我们需要找到驱动基因突变。这种方法为我们提供了有关肿瘤演化轨迹的线索。”

测序技术已经发展起来，因此现在可以快速且经济地对单个细胞内的RNA以及组织中细胞表面的蛋白质进行一次测序。虽然其他方法可以研磨组织并确定混合物中存在哪些基因和分子，但是单细胞方法可以精确地鉴定每种类型的细胞中存在多少，以及哪些基因和分子与哪个细胞相关。

对于这项研究，研究人员对患有肿瘤的小鼠和健康小鼠的26,000多个唾液腺细胞进行了测序。他们使用计算模型来分析大量数据，并根据表达的数百种基因和存在的分子，将每个细胞分类为基质细胞，免疫细胞，唾液生成细胞，癌细胞等组。

惊喜

单细胞方法揭示了一些令研究人员惊讶的东西：“当我看到数据时，我想，肿瘤在哪里?” 奥伯迈耶说。肿瘤中癌干细胞的数量非常少-不到组织中所有异形细胞的百分之一。由于它们的丰度低，对这些细胞的研究仍然很大程度上取决于关于表面标记的假设，并且通常在基于细胞培养的系统中进行。在这里，作者能够使用单细胞方法直接从实体瘤样品中鉴定出癌症干细胞。

此外，该团队能够通过肿瘤发展的不同阶段预测不同细胞类型的进展。他们的模型表明，癌症干细胞从癌性基底细胞中产生，然后发展为另一种亚型，最终成为类似于腔细胞的细胞群，这种细胞类型存在于正常，健康的唾液腺中。

这种进展支持了这样的想法，即当这种实体瘤模型的基础细胞发生异常时，它们会被触发转变为癌细胞干细胞，然后可以变成其他类型的细胞。Praktiknjo说：“我发现令人着迷的是清楚地看到了信号和事件的顺序，从癌症干细胞的祖细胞过渡到了子代。”

下一步

需要进一步的研究来验证单个细胞正在通过这些阶段进行转化，并探索驱动肿瘤生长的细胞和分子相互作用。研究小组希望他们在这里展示的方法也可以应用于其他类型的癌症。