引言
在傳統觀點中，結腸癌起源於幹細胞。然而，炎癥是結腸癌的主要風險因素之一，它能夠抑制腸道幹細胞的特性。 6月20日 Nature Genetics 報道的研究」 Non-stem cell lineages as an alternative origin of intestinal tumorigenesis in the context of inflammation 「 ，以帕內斯細胞(Paneth cells)為模型， 評估在炎癥背景下，已分化的細胞譜系是否能觸發小鼠腸道腫瘤的形成 。在炎癥的作用下，帕內斯細胞中Apc基因的特異性突變導致了類似於炎癥性腸病患者及較大部份人類散發性結腸癌的腸道腫瘤。這可能是由於西方飲食習慣引發的炎癥反應，而這種飲食習慣是結腸癌的一個主要風險因素。利用旨在預測癌癥起源細胞的機器學習方法，研究人員發現， 在相當一部份散發性結腸癌病例中，其起源細胞並非幹細胞，而是分泌細胞譜系 。
大多數癌癥被認為起源於具有幹細胞或祖細胞特性的細胞，這些細胞具備活躍增殖、自我更新和分化的能力。 這一點在小鼠腸道中得到了證明，當Apc腫瘤抑制基因的功能喪失突變發生在Lgr5+腸道幹細胞時，成功引發了腺瘤的形成。然而，當相同的Apc突變引入到更成熟、壽命更短的轉運放大細胞中時，腫瘤的形成在早期微腺瘤階段被阻止。然而， 除了這種「自上而下」的模式，腸道腫瘤發生的「自下而上」模型也被提出，在這種模型中，位於隱窩-絨毛軸較高位置的更成熟的腸道細胞在組織損傷和炎癥的背景下可能會啟動癌癥 。西方飲食習慣和慢性炎癥是與消化道散發性惡性疾病風險增加相關的兩大主要病因因素，被認為會引發腸道上皮中的特定細胞和分子改變，最終導致腫瘤發生和進展目標細胞的擴充套件。
帕內斯細胞是位於小腸隱窩底部的特化分泌細胞，能夠向腸腔分泌抗菌肽。此外，它們還提供必要的物理支持，並分泌訊號以維持Lgr5+幹細胞的功能。 在結腸中，雖然沒有帕內斯細胞，但Kit+帕內斯樣細胞（也稱為深隱窩分泌細胞）在功能上與小腸中的帕內斯細胞類似，也扮演分泌和微環境支持的角色。在該研究中，研究人員利用帕內斯細胞作為模型，證明其在炎癥背景下具有去分化和腫瘤形成的能力。
研究結果顯示， 在炎癥背景下，帕內斯細胞可以透過Apc基因的失活突變引發腸道腺瘤的形成。當Apc突變與Kras或Trp53基因突變結合時，即使沒有炎癥刺激，也會顯著增加帕內斯細胞衍生腫瘤的數量並加速其向惡性表型的轉化。 進一步的分子標記分析表明，帕內斯細胞衍生的腫瘤與Lgr5+幹細胞衍生的腫瘤在組織學和基因表現模式上存在顯著差異，反映了其在腫瘤發生過程中不同的細胞命運和訊號通路的啟用。
綜上所述， 該研究揭示了腸道腫瘤發生的另一條「自下而上」的途徑，即帕內斯細胞在炎癥背景下能夠去分化並形成腫瘤 。這一發現對於理解炎癥性腸病相關癌癥以及飲食引發的結腸癌具有重要意義，並可能為新的治療策略提供依據。
結腸癌（Colorectal Cancer, CRC）是全球範圍內發病率和致死率均居高不下的惡性腫瘤類別之一。傳統上，研究認為CRC的起源主要與幹細胞相關。然而，越來越多的證據表明，炎癥在結腸癌的發生和發展中扮演著重要角色。炎癥性腸病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）患者的結腸癌風險顯著增加，這提示炎癥可能透過影響腸道上皮細胞的功能和特性，誘導腫瘤形成 。
該研究透過以下幾種主要方法來探討帕內斯細胞在腸道腫瘤形成中的作用：
基因操作： 使用Cre-loxP系統特異性地在帕內斯細胞中引入Apc、Kras和Trp53基因突變。具體而言，透過將含有這些基因突變的loxP小鼠與表達帕內斯細胞特異性Cre重組酶的Lyz1-CreERT2小鼠進行雜交，生成攜帶特定基因突變的帕內斯細胞。這些基因突變已知在結腸癌的發生中起關鍵作用。
炎癥誘導： 采用二硝基硫酸鈉（Dextran Sodium Sulfate, DSS）誘導小鼠腸道炎癥。DSS透過飲水方式給予小鼠，能夠引發類似於人類炎癥性腸病的腸道炎癥反應。研究中，DSS溶液濃度為2%，持續時間根據實驗設計而定。
對從小鼠腸道上皮細胞中分離的單個細胞進行RNA測序，分析不同基因突變和炎癥條件下的細胞轉錄組變化。透過使用10x Genomics平台，研究人員能夠獲得高分辨率的單細胞轉錄組數據。 透過qPCR技術檢測腫瘤組織中特定基因的表達水平，如Lyz1和Dclk1。 使用抗體標記技術對腫瘤組織切片進行染色，觀察特定蛋白質的表達和分布。 研究中使用了抗β-連環蛋白（β-catenin）、LYZ1和DCLK1抗體，以評估腫瘤細胞的標誌物表達情況。
帕內斯細胞的去分化和腫瘤形成
在炎癥背景下（DSS處理），帕內斯細胞中Apc基因突變能夠引發腸道腺瘤形成。數據表明，在給予DSS的條件下，Apc突變小鼠的腸道腺瘤發生率顯著增加（p < 0.001）。
當Apc突變與Kras或Trp53基因突變結合時，即使沒有DSS誘導的炎癥，這些小鼠仍表現出顯著的腫瘤形成。數據表明，帕內斯細胞中Apc和Kras雙突變的小鼠腫瘤發生率增加了6.1倍，而Apc和Trp53雙突變的小鼠腫瘤發生率增加了1.6倍（均無DSS處理）。
轉錄組分析
單細胞RNA測序結果顯示，在帕內斯細胞中引入Apc突變並施加DSS誘導的炎癥條件下，帕內斯細胞表現出特異性的轉錄組變化，標誌著其去分化為腫瘤起源細胞。帕內斯細胞中與幹細胞相關的基因（如Cd81和Prom1）的表達顯著上調，而與分化相關的基因（如Lyz1）的表達顯著下調。
qPCR數據支持這一發現，顯示在帕內斯細胞衍生的腫瘤中，Lyz1表達水平較低（p = 7.5 × 10^-4），而Dclk1表達水平較高（p < 0.001）。
免疫組化驗證
免疫組化分析顯示，帕內斯細胞衍生的腫瘤中，β-連環蛋白（β-catenin）的核和細胞質積聚顯著增加，這與腫瘤細胞的去分化和增殖有關。
LYZ1和DCLK1的免疫染色結果表明，在帕內斯細胞衍生的腫瘤中，LYZ1陽性細胞比例較低，而DCLK1陽性細胞比例較高。這一結果與qPCR數據一致，進一步驗證了帕內斯細胞在特定條件下的去分化能力。
炎癥啟用了結腸中不同的腫瘤起源細胞（cells-of-origin） （Credit: Nature Medicine ）
a. 未處理的小鼠、給予3% DSS處理7天的小鼠，以及分別餵養AIN-76A或NWD1合成飲食3個月的小鼠。 分析這些小鼠的結腸組織中增殖性深隱窩分泌細胞（DCS cells）的存在。 使用WGA染色標記DCS細胞，用Ki67標記增殖細胞，DAPI對細胞核進行對比染色。 圖中星號標記的是WGA和Ki67雙陽性細胞。
b. WGA+Ki67+ 細胞的量化：在圖a中，透過統計下結腸隱窩底部的WGA和Ki67雙陽性細胞的數量，顯示了DSS處理和不同飲食對DCS細胞增殖的影響。
c. WGA+ 細胞的總量化：統計下結腸隱窩底部的WGA陽性細胞總數。
d. 預測腫瘤起源細胞： 使用COOBoostR計算方法預測IBD相關結腸癌（IBD-CRC, n=25）和散發性結腸癌（sCRC, n=257）的腫瘤起源細胞。 條形圖顯示了不同起源細胞在IBD-CRC和sCRC中的分布。
e. 免疫組化分析： 健康對照和IBD患者的結腸組織， 使用MUC2、BEST4和Ki67進行免疫組化分析，星號標記雙陽性細胞。
f. 增殖細胞的百分比： 潰瘍性結腸炎（UC）患者和健康對照， 顯示增殖（Ki67+）的MUC2+和REG4+細胞在UC患者和健康對照中的百分比。 數據來自12名健康參與者和17名UC患者。
g. 幹細胞指數： IBD-CRC和sCRC亞組中具有RNA測序數據的病例（n=27幹細胞，n=10杯狀細胞）。
h. CMS對映： 根據預測的腫瘤起源細胞分層的腫瘤樣本。 圖顯示了CMS（共識分子亞型）在不同腫瘤起源細胞中的分布，P值為Fisher精確檢驗結果。
研究得出的模型顯示結腸癌可以從幹細胞（ISC）或分化細胞起源，後者在炎癥刺激下被啟用。再生性幹細胞（RSC）重新編程在支持再生反應中被啟用。在這個過程中，活躍分裂的RSC擴大了腫瘤啟動和進展的細胞目標，導致一種以炎癥表型為特征的腫瘤發生替代途徑。
近年來，針對腫瘤起源細胞的研究不斷深入，揭示了不同類別細胞在腫瘤發生中的潛在貢獻。例如， 有研究發現，胃腸道中的特定細胞類別在特定病理條件下能夠去分化並獲得幹細胞特性，從而成為腫瘤的起源細胞。這一發現不僅挑戰了傳統的腫瘤起源理論，也為腫瘤預防和治療提供了新的思路。
此外，隨著單細胞測序技術的發展，研究人員能夠更精確地解析腫瘤微環境中不同細胞類別的作用和相互關系。例如，該研究透過單細胞RNA測序揭示了帕內斯細胞在炎癥背景下的轉錄組變化，提供了新的視角來理解炎癥性腸病相關癌癥的發生機制。
該研究透過小鼠模型和基因操作技術，揭示了帕內斯細胞在結腸癌發生中的關鍵作用。這一發現不僅為理解結腸癌的發生機制提供了新的視角，也為未來的癌癥預防和治療策略提供了新的靶點。特別是針對炎癥性腸病患者的結腸癌預防和治療，該研究的結果具有重要的臨床意義。
綜上所述，該研究透過多種實驗手段和先進技術，揭示了帕內斯細胞在特定病理條件下的去分化和腫瘤形成能力。 這一發現不僅拓展了我們對結腸癌發生機制的理解，也為未來的研究和治療提供了重要的參考。隨著技術的發展和研究的深入，有望進一步揭示腫瘤起源細胞的多樣性和復雜性，為腫瘤防治開辟新的道路。
參考文獻
Verhagen MP, Joosten R, Schmitt M, Välimäki N, Sacchetti A, Rajamäki K, Choi J, Procopio P, Silva S, van der Steen B, van den Bosch TPP, Seinstra D, de Vries AC, Doukas M, Augenlicht LH, Aaltonen LA, Fodde R. Non-stem cell lineages as an alternative origin of intestinal tumorigenesis in the context of inflammation. Nat Genet. 2024 Jun 20. doi: 10.1038/s41588-024-01801-y. Epub ahead of print. PMID: 38902475.
https://www.nature.com/articles/s41588-024-01801-y
責編 |探索君
排版|探索君
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