Cell?|?乳腺癌大轉移灶的三維結構藍圖——轉移性小梁形態發生

撰文 |咸姐

乳腺癌遠處轉移的形成，通常標志著腫瘤進展進入了難以治愈的階段。解析構成大轉移灶的惡性細胞狀態的本質——包括其分子程序、關鍵依賴性以及在原發腫瘤中出現的時機——一直是癌癥生物學領域的核心科學問題。既往研究提示，與原發性腫瘤細胞不同，轉移細胞在很大程度上由非遺傳適應性所驅動。盡管這種表型可塑性的具體性質尚不明確，但這種適應性使得轉移細胞能夠在遠端異質性組織中構建出類似器官的結構【1,2】。這就引出了一個根本性問題：是否存在一個“轉移性結構藍圖”——即一個潛在的三維（3D）形態發生程序和架構設計——指導著轉移性生長？破譯這些程序有望揭示在組織層面發揮作用的調控機制，并發現目前尚未被認識到的治療脆性。目前，關于構成乳腺癌轉移灶的惡性細胞的性質所知甚少。大多數單細胞分析集中于原發性乳腺腫瘤，針對轉移灶的研究僅是新近才有的進展。盡管這些研究提供了寶貴的資源，但它們未能解決定義轉移狀態、并將其與原發腫瘤區分開來的惡性細胞中的根本性變化。

近日，來自意大利帕多瓦大學的Stefano Piccolo團隊在Cell上在線發表題為A 3D morphogenetic blueprint for metastatic outgrowth in breast cancer的文章，通過單細胞測序、空間轉錄組學、AI輔助3D成像及小鼠模型，揭示了乳腺癌大轉移灶通過激活一種轉移性小梁形態發生（MTM）程序進行擴增，該程序重新部署了發育過程中的分支形態發生機制，用以構建由上皮細胞索組成的分形3D網格狀結構，而這種狀態已經在注定會發生轉移的原發腫瘤中選擇性存在。研究結果無疑將轉移生長與發育藍圖直接關聯，揭示了針對大轉移階段的潛在治療靶點。

本文研究人員首先通過單細胞RNA測序構建了乳腺癌原發、轉移及正常乳腺的大規模單細胞圖譜，發現所有主要亞型的原發和轉移腫瘤細胞均保留成體乳腺腔上皮身份，未發生向其他上皮譜系的明顯偏離，但轉移灶中意外富集了“管狀形態發生”相關通路。受此啟發，研究人員通過重新分析已發表的小鼠胚胎乳腺單細胞測序數據，構建了一個去除細胞周期相關基因及與成體乳腺上皮共享基因的“胚胎乳腺形態發生（FMM）”特征，并證實該特征在轉移灶中顯著富集，而青春期或成體乳腺特征則無此富集。所有轉移性病變均表現出該特征的高表達，且獨立于PAM50分子亞型，而原發腫瘤中該特征表達則表現出異質性，大多數原發腫瘤由基本上無該特征表達的腫瘤細胞組成。這一發現在AURORA-US聯盟的匹配原發-轉移樣本及兩種小鼠乳腺癌模型（分別模擬三陰性和HER2陽性疾病）中得到驗證，提示轉移性生長與發育性管狀形態發生之間存在保守的分子聯系。

隨后，研究人員利用CODA深度學習對連續2D H&E切片進行3D形狀與微結構重建，以探究轉移灶在3D空間中的組織方式。分析結果顯示，人類及實驗性小鼠模型的乳腺癌轉移灶均由無管腔的多細胞上皮細胞索構成3D格子結構，該結構呈現出分形的小梁狀構型，通過分支形態發生并伴有廣泛的吻合進行擴張；而同一器官內形成的大小匹配的纖維肉瘤和骨肉瘤轉移灶則呈致密結節狀膨脹生長，缺乏該結構，但乳腺癌轉移性類器官的皮下移植物卻呈現廣泛小梁狀形態，表明轉移形態發生是惡性上皮細胞的一種自組織特性，小梁狀結構并非由器官微環境所強加，而是反映了上皮來源的轉移性乳腺癌細胞的一種內在能力。為了更精確地定義支持這種惡性結構的發育程序，研究人員將FMM基因與轉移富集基因取交集，提煉出一個稱為“轉移性小梁形態發生（MTM） ”的濃縮特征，該特征包含FGF信號、非經典Wnt、CXCR4、Notch等已知控制分支器官發育的模塊。在單細胞數據中，轉移灶幾乎完全由表達該特征的癌細胞組成，而衡量其他與惡性或轉移早期步驟相關特征的標簽，如細胞周期、上皮-間充質轉化或基底特征，則未顯著富集，表明該特征捕捉到了一個與既往侵襲性標志物不同的形態發生程序。

進一步分析顯示，原發性腫瘤中MTM表達呈顯著異質性，從完全低表達到與轉移灶相當的高表達均有分布，提示該程序并非轉移灶獨有。在METABRIC Discovery隊列中，各亞型均同時存在MTM高表達和低表達腫瘤，高表達者轉移風險顯著升高，且MTM是獨立于亞型、淋巴結狀態、組織學分級、年齡及全身性治療的轉移風險預測因子。AURORA-US隊列中，原發腫瘤MTM表達水平與轉移發生時間呈負相關，即表達最高者轉移出現更早。這些結果表明原發腫瘤MTM表達具有獨立預后價值。

基于以上發現，研究人員遂對六例具有長期隨訪數據的原發乳腺癌進行3D重建，發現所有最終發生轉移的原發腫瘤均呈現與遠處轉移灶相當的小梁狀格子結構，而未轉移者則保持緊湊、實性的膨脹性生長。在132例三陰性乳腺癌（TNBC）隊列中，研究人員開發了基于2D病理切片的拓撲描述符作為3D結構的替代指標，以捕捉小梁狀與膨脹性生長的拓撲特征，從而在常規病理切片上實現可規模化的量化分析。結果顯示，后續發生轉移的患者其原發腫瘤中顯著富集了與小梁狀結構相關的2D特征（如更高的腫瘤島密度），且具有小梁狀結構的原發腫瘤發生轉移的概率顯著高于膨脹性結構的腫瘤。這表明，通過常規病理切片定量形態測量推斷出的腫瘤3D結構構型本身即具有獨立的預后價值。深入研究結果顯示，具有分支形態發生能力的MTMHIGH細胞在顯性轉移灶及將來會發生轉移的原發腫瘤中構建了相同的小梁狀三維結構，而MTMLOW腫瘤則采用僅支持局部生長但不足以形成遠處轉移的實性、非分支組織模式。

發育過程中的基因網絡通常受上游主控轉錄因子（TF）調控，為了識別MTM特征的主控TF，研究人員利用三個轉移灶來源的患者源性類器官進行ChIP-seq和染色質狀態分析，結合增強子-啟動子物理連接圖譜，發現ETS因子家族的PEA3亞家族（即ETV1、ETV4、ETV5）基序在約75%的MTM相關調控元件中顯著富集，提示它們是MTM程序的候選主控因子。在4T1和MDA-MB-231細胞中敲除ETV，MTM特征顯著降低，且細胞在膠原膠中的分支能力嚴重受損，轉而形成緊湊的球形聚集體，但不影響2D增殖、傷口愈合遷移/極化或克隆形成能力。此外，在正常人乳腺原代細胞中敲除ETV同樣顯著降低了其分支能力。這些數據確立了ETV1/4/5家族是MTM程序和上皮分支形態發生的主控調節因子，且這一功能在正常和惡性乳腺上皮中保守。體內實驗中，ETV缺失使大轉移負荷顯著減少，ETV敲除后轉移灶數量雖與對照組大轉移灶相當，但無法進一步生長，三維重建顯示其為緊湊聚集體，缺乏延伸的管狀網絡。而過表達ETV1則足以誘導原本低轉移的細胞形成典型的小梁狀分支結構并發生轉移。此外，ETV驅動的MTMHIGH小梁狀程序在原發腫瘤中前瞻性地標記了將會轉移的病變。雖然原發腫瘤的形成既可以采用小梁狀模式，也可以采用膨脹性模式，但只有小梁狀結構才能支持后續的遠處轉移性生長；ETV缺失并不影響原發腫瘤的成瘤、增殖或生長速率。

最后，整合單細胞與高分辨率空間轉錄組學分析發現，FGF旁分泌信號主要源自腦轉移微環境中的星形膠質細胞或肺轉移微環境中的癌癥相關成纖維細胞及Axin2+祖細胞，并主要靶向腫瘤細胞。功能實驗顯示，FGF處理可上調MTM特征，而ETV4敲除則消除此效應，表明FGF作用于ETV上游。體內使用FGFR抑制劑或敲除FGFR2均顯著抑制肺轉移生長并下調MTM特征，但不影響原發腫瘤生長。這些結果揭示了腫瘤微環境中的FGF信號是MTM程序的可干預脆性，為針對大轉移階段提供了潛在治療靶點。

綜上所述，本研究顛覆了轉移灶無序生長的傳統觀點，從三維形態發生和發育生物學的高度，重新定義了乳腺癌大轉移性生長的本質。研究發現了轉移性乳腺癌細胞通過ETV1/4/5轉錄因子重演胚胎期的分支形態發生程序，構建出具有分形特征的小梁狀三維網格結構。這種名為“轉移性小梁形態發生”的程序在轉移灶和易轉移的原發腫瘤中均激活，具有獨立預后價值，并依賴于微環境FGF信號、可被FGFR抑制劑干預。這項工作為理解乳腺癌的致命性進展提供了一個全新的“結構藍圖”框架，并揭示了針對大轉移階段的潛在治療策略。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.03.009

制版人： 十一

參考文獻

1. Gerstberger, S., Jiang, Q., and Ganesh, K. (2023). Metastasis.Cell186, 1564–1579.

2. Garcia-Recio, S., Hinoue, T., Wheeler, G.L., et al. (2023). Multiomics in primary and metastatic breast tumors from the AURORA US network finds microenvironment and epigenetic drivers of metastasis.Nat. Cancer4, 128–147.

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