小细胞肺癌在治疗过程中的进化轨迹

小细胞肺癌（SCLC）是一种致命的癌症，5年生存率不到7%【1】。它对铂类化疗敏感但易复发，目前治疗效果有限。基因组测序揭示SCLC的特征包括TP53和RB1双等位基因缺失、细胞周期调节因子的改变和MYC基因的扩增【2】。SCLC的亚型主要根据影响肿瘤生物学和治疗结果的神经内分泌转录因子的表达来定义【3】。尽管对SCLC分子基础的研究取得了进展，但其克隆演化模式及耐药机制仍不清楚。
近日，来自德国科隆大学的Roman K. Thoma，Martin Peifer与Julie George共同在Nature期刊发表题为Evolutionary trajectories of small cell lung cancer under therapy（小细胞肺癌在治疗过程中的进化轨迹）的文章。研究通过对65名SCLC患者的160个肿瘤进行多区域测序，揭示了化疗和免疫治疗对肿瘤进化的影响。研究发现，化疗导致肿瘤内部的克隆多样性迅速增加，而有效治疗会引发特定克隆的再次增殖。此外，特定基因的改变与SCLC对化疗的敏感性和耐药性有关。这些发现为了解SCLC的治疗过程提供了重要线索。

癌症基因组改变不仅驱动SCLC的恶性转化，同时也影响临床表型的化疗敏感性、肿瘤进展和复发。因此，研究人员对来自65名患者的肿瘤进行了全面的多区域和纵向研究，以破译控制SCLC治疗反应和耐药发生的进化和遗传机制。
转移性SCLC的肿瘤系统发育
首先，研究人员收集了65名SCLC癌患者的160个肿瘤标本，通过全外显子、全基因组和转录组测序观察患者在不同治疗阶段的肿瘤样本，包括首次诊断、化疗期间、化疗后和免疫治疗前后的样本。收集的样本包括原发性肺部肿瘤、淋巴结、肝脏、胸膜和脑转移瘤。研究人员对每位患者在整个治疗过程中多个时间节点的肿瘤样本进行分析，并根据临床状况对不同患者进行配对研究。通过追踪肿瘤克隆在时间和空间上的演化过程，他们确定了肿瘤谱系，并发现所有肿瘤谱系都表现出线性和分叉进化模式。研究结果显示，未接受治疗的患者肿瘤中，肿瘤基因组的异质性较低，而治疗干预会导致肿瘤基因组异质性显著增加。此外，研究还观察到早期肿瘤部位的亚克隆组成较少，而原发部位和肺内转移肿瘤表现出增加的亚克隆突变和分支进化。这表明转移后肿瘤的亚克隆组成基本保持稳定，克隆异质性的增加和持续进化似乎发生在转移性SCLC的早期阶段。在治疗期间，大多数肿瘤会从祖先克隆分支，导致肿瘤内部和不同部位间克隆多样性的增加。研究还跟踪了患者在治疗前、治疗期间和复发时的肿瘤演化过程，发现治疗抑制了最初的主导克隆，并导致大量亚克隆的出现和肿瘤复发。这些数据支持一个观点：在首次诊断时，一个高度增殖的克隆主导着肿瘤生长，通过治疗后被抑制和清除。在明显的临床复发时，已经出现许多由最近共同祖先驱动的亚克隆，这个过程显著增加了空间上和肿瘤内部的异质性。
肿瘤克隆多样性的演化
接下来，研究人员探究了导致治疗依赖性克隆多样性增加的潜在过程。他们发现，肿瘤内部的亚克隆多样性增加以及相关的突变特征与治疗效果密切相关，不同阶段的突变特征反映了治疗前后肿瘤发展的复杂性。研究认为治疗无法抑制难治性患者的原始主导克隆，成功的化疗消灭了最丰富的克隆，随后导致多个亚克隆的扩增（图2A）。此外，研究还观察到放疗可能导致肿瘤克隆多样性的增加并引发铂类化疗相关的基因组疤痕（图2B）。研究人员推断，化疗诱导的克隆多样性迅速增加可能会影响免疫检查点抑制剂（ICI）等后续治疗的疗效。因此，他们分析了7名接受ICI二线或三线治疗患者肿瘤的进化动态。结果发现，在免疫治疗期间，肿瘤克隆可能呈现出不同的演化模式，包括保持稳定、进展和缩小。一些患者在免疫治疗过程中出现亚克隆突变的变化，而另一些患者则表现出克隆的重新扩增。研究指出，即使在一线治疗后原始主导克隆消失，较早的祖先克隆的衍生物仍可能持续存在并导致临床复发。此外，一些肿瘤亚克隆展现出铂类药物诱导的DNA损伤迹象，这些亚克隆在治疗前可能并不明显，但在后续治疗中变得显著（图2C）。总之，这些研究结果强调了在免疫治疗过程中肿瘤演化的复杂性，以及祖先克隆在不同治疗阶段的重要性。
核心基因对治疗的影响
随后，研究人员对SCLC的基因组变化进行研究，发现了与治疗相关的克隆多样性。他们确认了TP53和RB1基因在所有患者的共同祖先克隆中发生变化，并观察到一些在复发SCLC肿瘤中不再显著的致癌突变，如KRAS。另外，研究还发现了其他与SCLC生物学相关基因的突变（如EPHB1和CNTNAP2），其中一些在复发肿瘤中表达增强，揭示了这些突变在化疗抵抗方面的作用。研究结果表明，TP53和RB1的变异是驱动SCLC复发的核心克隆，同时其他特定基因的突变也可能对药物敏感性产生影响。随后，研究人员对SCLC患者对一线铂类化疗反应与分子特征的关系进行了探究。研究指出谱系转录因子的表达在治疗反应中发挥重要作用，特别是表达POU2F3或NEUROD1的病例表现出较低的无复发生存率。然而，由于样本量较小，校正后临床参数的相关性并不显著。研究还发现，不同来源的SCLC患者肿瘤中关键转录因子的表达变化不显著。研究结论表明共同祖先克隆的整体基因组构成是患者对一线化疗敏感性的主要驱动因素。对TP53和RB1基因变异的深入分析显示，TP53的损伤变异与肿瘤对化疗的耐药性相关，而TP73、CREBBP/EP300或FMN2的共同变异可能在没有TP53基因损伤的情况下损害化疗在SCLC患者中的临床疗效。
综上所述，该研究揭示了SCLC治疗过程中经历的系统进化过程，发现化疗导致肿瘤内基因组异质性和克隆多样性的增加，肿瘤复发时新出现的亚克隆突变影响关键基因，放疗或免疫治疗可诱导基因组原始克隆再次扩增。TP53和RB1在所有患者的共同祖先克隆中发生变异，是与治疗效果相关的核心基因。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07177-7