Cancer cell | 肿瘤相关成纤维细胞的亚型决定了肺癌不同的治疗模式

原创 骄阳似我 图灵基因 今天

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：骄阳似我

IF：31.743

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亮点：

肿瘤相关成纤维细胞（CAF）具有高度异质性。本文建立了一个活的非小细胞肺癌（NSCLC）患者活检标本中的CAF生物库，其中包括临床NSCLC中广泛的CAF分子谱。本文对CAF异质性进行功能性探究，确定了三种功能亚型：（1）对癌症具有强烈的保护作用，并高度表达HGF和FGF7；（2）对癌症具有中度保护作用，并高度表达FGF7；（3）提供最低限度保护的。CAF之间的这些功能差异是由其内在TGF-β信号调节的，TGF-β信号抑制HGF和FGF7的表达。这种CAF功能分类与患者对靶向治疗的临床反应相关，也与肿瘤免疫微环境相关，因此提供了指导个性化治疗的途径。

当前的个性化癌症治疗模式主要基于癌细胞的分子特征，例如致癌突变。然而，患者很少达到完全缓解，患者反应的深度和持续时间差异很大。这些差异背后的原因尚未完全理解。尚未确定癌症相关成纤维细胞（CAF）之间的功能差异是否在观察到的不同临床反应中起主要作用，以及分析CAF异质性是否可以改善癌症治疗。

近期，在Cancer cell杂志上发表了一篇名为“Three subtypes of lung cancer fibroblasts define distinct therapeutic paradigms”的文章，文章中建立了一个CAF生物库，这些CAF来源于非小细胞肺癌（NSCLC）患者的活组织检查，具有特定的致癌改变，如表皮生长因子受体（EGFR）突变和间变性大细胞淋巴瘤激酶（ALK）融合。这一大批CAF使我们能够充分概括具有不同分子特征的广泛NSCLC CAF。这篇文章从功能上描述了非小细胞肺癌CAF的特点，揭示了它们的不同功能，并展示了它们潜在的临床应用价值。

为了捕捉NSCLC中CAF的多样性以进行功能研究，本文从NSCLC活组织切片中建立了大量患者培养的成纤维细胞（PDF），其中含有EGFR突变或ALK融合等靶向致癌因子。首先检查了非小细胞肺癌CAF的表型异质性程度。与不同肿瘤间质的不同病理组织学表现类似，PDF在其形态和生长模式方面表现出相当大的变异性。在分子水平上，发现肌成纤维细胞标记物aSMA（由ACTA2编码）的CAFs表达在不同的活检组织中存在差异，并且这种多样性在相应的PDF培养物中保持不变。故没有观察到先前定义的成纤维细胞活化标记物在PDF培养和活检之间的系统性变化。对这些PDF模型中10个CAF标记物的表达进行了表征，发现1型胶原a2（COL1A2）和aSMA的表达与患者年龄密切相关，而血小板衍生生长因子受体a（PDGFRA）和S100A4的表达与肿瘤活检部位相关。因此，PDF库为研究这些关键问题以了解功能性CAF异质性提供了宝贵的资源。本文分析了1465个成纤维细胞，这些细胞来自切除的NSCLC的代表性scRNA序列数据集，包括肺腺癌、鳞状细胞癌和大细胞癌中的CAF。综上所述，该PDF文库在很大程度上捕获了患者NSCLC中存在的CAF的分子异质性。图1：充分捕获非小细胞肺癌CAF异质性的活体生物库的建立。

由于MET和FGFR可反复和潜在地介导CAF驱动的EGFRi耐药性，本文根据其激活这些通路的能力对PDF进行分类。本文分析了所有60例PDF的EGFR-TKI救援概况，包括来自非EGFR+NSCLC的22例PDF，并确定了CAF的三种不同功能亚型：亚型I通过MET有力和广泛地救援了EGFRi，无论是否涉及FGFR；第二亚型主要通过FGFR进行更适度的抢救；亚型III的救援效果最小。通过分析PDF匹配的患者，本文发现CAF的这种功能分类与患者的年龄、活检部位或肿瘤癌基因状态无关，这表明这种分类不仅限于EGFR+肺癌。三种功能性定义的CAF亚型阐明了克服CAF介导的治疗耐药性的不同治疗策略：需要MET加FGFR通路阻断来对抗I型CAF的影响，II型CAF需要FGFR通路阻断，III型CAF不需要组合。虽然非选择性FGFR配体FGF1和FGF2也具有拯救癌细胞生长的潜力，但在具有阻断抗体的条件培养基中，只有FGF7的特异性靶向性，而不是其他FGF，大大缓解了PDF介导的拯救。根据功能分类，与III型PDF相比，I型PDF表达最高的HGF，I型和II型PDF表达高FGF7。作为一项独立验证，三种功能定义的PDF的比例与先前NSCLC sRNA序列数据集中具有高HGF、低HGF/高FGF7和低HGF/低FGF7水平的肺CAF的比例相似。图2：HGF和FGF7的表达定义了三种具有不同治疗策略的CAF亚型。

为了研究亚型I和II PDF中HGF和FGF7过度表达的机制，与亚型III PDF相比，本文对21个PDF进行了RNA测序，并基于前1000个可变表达基因进行了聚类分析。结果显示亚型I和II PDF更紧密地聚集在一起，而大多数亚型III PDF明显不同于其他类型，表明亚型I和亚型II PDF中HGF和FGF7的过度表达可能是整体转录变异的一部分。为了确定与HGF和FGF7过度表达相关的潜在信号通路，本文通过KEGG通路分析对亚型I和II PDF中过度表达的基因进行注释。与亚型III相比，亚型I和II PDF中的三条通路通常与基因过度表达相关，包括转化生长因子β（TGF-β）信号通路。本文发现主要是TGF-β1的上游基因在亚型I和II PDF中过度表达，包括核心蛋白聚糖（DCN）、纤维调节蛋白（FMOD）和潜伏性TGF-β结合蛋白1（LTBP1），所有这些基因都已知抑制细胞外空间中的TGF-β1激活。值得注意的是，TGF-β1本身在所有三种CAF亚型中表达相似。因此推测I型和II型PDF亚型由于过度表达这些抑制因子，可能具有较低的TGF-β信号活性。信号分析证实，TGF-β信号传导的两个关键介质磷酸化SMAD2和磷酸化SMAD3在亚型III型PDF中显著存在，但在亚型I和II型PDF中仅极少。有趣的是，与III型PDF相比，I型和II型PDF在总SMAD2和SMAD3水平上似乎具有更高的可变性。总的来说，这些数据支持NSCLC CAF功能分类与内在调节的TGF-β信号相关，并且这种功能区别独立于创伤愈合过程中确定的典型肌成纤维细胞状态或胰腺星状细胞研究中的iCAF mCAF分类。

接下来检测TGF-β信号是否调控HGF和FGF7的表达。成纤维细胞中TGF-β信号的丢失与小鼠HGF分泌增加和旁分泌MET激活有关。在人肺CAF中，TGF-β1治疗抑制了亚型I和II PDF中HGF和FGF7的表达，并降低了它们产生EGFRi耐药性的能力。相反，用TGF-β受体I型抑制剂vactosertib（TGFBR1i）治疗III型PDF可增加HGF的表达，并在较小程度上增加FGF7的表达。因此，CAF的内在TGF-β信号在确定HGF和FGF7水平方面具有重要作用，HGF、FGF7和磷酸化SMAD2可作为区分CAF亚型的功能标记物。作为一种补充方法，对PDF RNA-seq数据中表达最可变的基因的分析也确定了区分CAF功能亚型的分子标记。与III型PDF相比，I型和II型PDF中有四种转录因子可能过度表达。确认了暴露于TGFβ1的CAF中TBX2和ETV1的下调。TBX2在成纤维细胞中的作用尚不清楚。TGF-β1治疗不仅降低了I亚型PDF中TBX2 mRNA水平，而且降低了TBX2核浓度。相反，在亚型III型PDF中，TGFBR1i治疗后TBX2核浓度增加。另外，敲除TBX2可抑制亚型I和II型PDF中的HGF和FGF7表达，而过度表达TBX2可增加亚型III型PDF中的HGF和FGF7水平。总的来说，这些数据表明，CAFs固有的TGF-β信号有助于成纤维细胞的功能异质性，至少部分通过包括ETV1和TBX2的转录网络。图3：内源性TGF-β信号通过抑制HGF和FGF7的表达促进CAF功能异质性。

接下来通过分析三个患者队列，检查CAF的功能亚型是否与患者的临床反应相关。在第一个队列中，从随后接受共价EGFR TKI治疗的12名EGFR+NSCLC患者的治疗前活检培养的第一周中获得条件培养基中的分泌组，发现对EGFR TKI反应差的患者其肿瘤分泌组中HGF和FGF7水平较高。对于第二组13名患者，在使用共价EGFR TKI进行初始治疗之前，通过他们的活检建立了PDF。通过比较PDF的体外拯救表型与相应患者的临床反应，发现携带III型CAF亚型肿瘤的患者比PDF被归类为I型或II型的患者更有可能对EGFR TKI产生反应。对于第三个独立的EGFR+NSCLC队列，分析了从11名患者奥西米替尼治疗前后的活检中获得的公共RNA序列数据集。进一步证实了反应有限的NSCLC患者在其osimertinib前活检中HGF和FGF7的表达较高。在疾病和治疗过程中，间质HGF和FGF7的丰度是动态的。这些发现提示肿瘤微环境随着治疗压力和/或疾病进展而发生变化。因此进一步分析了来自6名患者纵向活检的PDF，这些患者在两次活检之间接受了至少一行TKI治疗。有趣的是，从后来的活检中获得的PDF通常比从最初的活检中获得的PDF更有力，这支持了CAF的功能演变，无论是选择用于或通过治疗和/或疾病进展进行修改。需要进一步的工作来验证其他患者的这些发现，并区分这些可能性。图4：CAF功能分类与患者临床结局相关。

本文报告建立了一个活的CAF生物库，能够重述具有不同分子表型的广泛NSCLC CAF，并使能够以无偏见的方式系统地调查CAF的功能。通过利用这个PDF文库确定了三种主要的CAF功能亚型，它们对使用EGFR和ALK-TKIs的治疗表现出不同的影响。图5：文章结构总图。

教授介绍：

Jeffrey A. Engelman

Jeffrey博士是诺华生物医学研究所（NIBR）副总裁兼全球肿瘤学负责人，指导诺华生物医学研究院的癌症药物研发。NIBR肿瘤学与NIBR免疫肿瘤学密切合作的目标是将这些疗法组合在一起，以释放它们的全部潜力。该团队还希望找到新的工具和方法来帮助更多的患者。NIBR研究人员的目标是治愈某些癌症亚型。

杰夫于1993年在西北大学获得化学学士学位，并获得医学博士和博士学位。2000年毕业于阿尔伯特·爱因斯坦医学院。他在Brigham andWomen’s Hospital完成了内科住院医师培训，在Dana Farber癌症研究所获得了血液学奖学金，并在Beth Israel女执事医疗中心完成了博士后研究。在加入诺华之前，他是马萨诸塞州总医院胸肿瘤和分子治疗中心的主任，在那里他研究了肺癌靶向治疗的反应和耐药机制。他还是哈佛医学院的副教授。

参考文献：

Haichuan Hu, Zofia Piotrowska,Jeffrey A. Engelman et al.Threesubtypes of lung cancer fibroblasts define distinct therapeuticparadigms.[J]Cancer Cell 39, 1–17, November 8, 2021.