肺癌转移进化轨迹

编译：唐文芳 钟文昭
远处转移是肺癌死亡的首要原因，影响肺癌治疗及预后[1]。目前观念认为转移是肿瘤进化的过程，涉及入侵-转移级联多个步骤，包括原发肿瘤细胞的局部侵袭、血液或淋巴系统的浸润、循环中的存活（血液和/或淋巴）、远处器官的阻滞、外渗、在新环境中的存活和转移定植。每个转移细胞代表其亲本原发肿瘤的进化分支，共享关键驱动改变，随着肿瘤不断的选择性进化，从而产生肿瘤时空异质性[2]。
目前关于肿瘤转移进化主要有两种理论模式：线性进化模式和平行进化模式[3, 4]，两者主要是基于转移细胞在原发灶开始播散的时间和原发-转移肿瘤（P-M）之间的基因组异质性（原发肿瘤和转移肿瘤在共同祖先出现后独立单核苷酸变异（SNV）的数量）而区分。线性进化模式[4, 5]：具有转移克隆能力的转移细胞出现在肿瘤发生后期，并在临床上刚可检测原发病灶时开始传播，所以P-M基因异质性很小，因为转移是由最近的原发灶克隆或亚克隆播种的。平行进化模式[4, 6, 7]：转移克隆或亚克隆出现在原发肿瘤发展的早期，原发肿瘤和转移肿瘤克隆在不同压力下继续平行进化，导致原发病灶和转移病灶之间明显的遗传差异。目前关于多癌种转移进化研究已有相继报道，乳腺癌[8]、胰腺癌[9]被认为主要以晚期播散模式为主，而结直肠癌[10]、食管癌[11]主要以早期播散为主。然而目前关于肺癌转移基因克隆进化轨迹及其中关键转移分子机制尚未清楚。
     2021年3月，广东省人民医院广东省肺癌研究所钟文昭团队在国际肺癌联盟官方杂志Journal of Thoracic Oncology在线发表题为“Timing and origins of localand distant metastases in lung cancer”的研究论文。该研究发现：不同转移部位之间，存在不同程度的原发-转移灶基因组异质性；MYC扩增、NKX2-1扩增、RICTOR扩增、arm 20p-gain和arm 11p-loss是潜在肺癌转移驱动机制；通过构建肿瘤空间生长模型，61.1%的肺癌患者为晚期播散，转移播散大约在原发灶临床发现约2.74年前发生；通过进化起源分析，肺癌远处转移大多数不经淋巴结转移（87.5%，7/8）。

研究人员通过对47例初诊晚期肺癌患者的174个样本进行了单区域或多区域全外显子组测序，78.7%(37/47)病例为同时性转移，其中40例患者具有匹配的原发和转移肿瘤样本，转移部位包括胸膜、肾上腺、骨、脑和附带转移性淋巴结；同时利用国际著名癌症中心纪念斯隆-凯特琳癌症中心（MSK）肺腺癌非匹配原发（N=448）和转移肿瘤(N=432)队列作为验证。

本队列共检测出17657个体细胞突变，其中原发肿瘤共检测出6870个突变和转移肿瘤10787个突变，其中较频繁突变分别为TP53(64.4%)，EGFR (38.6%)，KEAP1 (14.9%)，KRAS (8.9%)，且大多数为克隆性突变，在原发灶和转移灶保持较高的基因组一致性（49.7%），相反，在拷贝数变异水平上，原发灶和转移灶保持较低的基因组一致性（27.3%）。通过异质性分析，原发灶与转移灶（P-M）总体基因组异质性达54.4%，然而各转移部位之间存在不同原发-转移灶基因组异质性，其中淋巴结P-M异质性最大，随后为胸膜、脑、骨转移，肾上腺P-M异质性最小。

癌细胞并不在正性选择下发生转移，相反，可能有一组关键调控靶点被选择，从而使癌细胞获得转移潜能，这些体细胞分子事件在肿瘤演化过程中能够突破进化瓶颈，并在转移灶中继续保持。我们通过定义基因选择性事件和非选择性事件[12]，其中转移灶选择性事件定义为在转移灶为克隆性突变而在原发灶为亚克隆突变或者在转移灶为克隆性或亚克隆性突变，而在原发灶中缺失；且同时利用MSK数据库进行验证，利用二项分布检验，发现MYC扩增、NKX2-1扩增、RICTOR扩增、arm 20p-gain和arm 11p-loss是潜在肺癌转移选择性事件，同时发现MYC扩增与预后不良相关，提示肺癌转移可能是多种联合分子因素驱动的结果。

随后利用国际开源统计学模型SCIMET，通过模拟肿瘤生长速率，构建肺癌空间肿瘤生长模型，评估原发肿瘤转移细胞群（Nd）以及突变速率（u），定量推算转移播散时间。早期播散定义转移细胞在原发灶<1cm时开始播散，晚期播散定义为转移细胞在原发灶≥1cm时开始播散。我们发现大多数肺癌转移为晚期播散（61.1%），然而淋巴结转移大多数早期播散。另外转移播散总体上大约在原发灶临床发现约2.74年前发生，其中淋巴结转移平均为4.26±0.74年前，胸膜和远处转移平均为2.11±0.33年。

最后通过进化起源分析，利用最大简约法重建了单核苷酸变异(SNVs)和拷贝数变异(CNVs)的肿瘤系统发育，构建进化树干。例如12号胸膜转移患者，胸膜转移灶和转移性淋巴结聚集在同一进化枝上，具有原发肿瘤所没有的一些突变，提示该患者胸膜转移灶经淋巴结转移；反之24号骨转移患者，骨转移灶与原发灶聚集于同一进化树干上，而淋巴结转移灶独立起源，提示骨转移灶直接从原发灶播种，而不经淋巴结转移。经统计，我们发现大多数转移病灶不经淋巴结转移（87.5%，7/8），而是从原发灶直接跳跃性转移，提示肺癌早诊早治的重要性。然而目前同时具有匹配转移性淋巴结和转移灶标本的样本量较少，其结果需进一步大样本量研究验证。

上述研究结果描绘了肺癌转移全面的基因克隆进化轨迹，发现了潜在的转移驱动机制，为进一步探索肺癌转移生物学行为和肿瘤学特征提供理论依据，同时为开发新药物靶点，实现临床转化提供数据基础。

   中山市人民医院/广东省人民医院唐文芳为该文章第一作者，广东省人民医院/广东省肺癌研究所钟文昭为该文章通讯作者，目前课题组主攻于肺癌异质性、分子演进、转移驱动机制及临床转化、肺癌靶向治疗研究，近年来在Lancet Oncol、J Clin Oncol、J Thorac Oncol等杂志发表文章。

原文链接：https://www.jto.org/article/S1556-0864(21)01746-9/pdf

参考文献

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2.Birkbak NJ, McGranahan N. Cancer Genome Evolutionary Trajectories in Metastasis.Cancer cell2020, 37(1): 8-19.

3.Caswell DR, Swanton C. The role of tumour heterogeneity and clonal cooperativity in metastasis, immune evasion and clinical outcome.BMC medicine2017, 15(1): 133.

4.Turajlic S, Swanton C. Metastasis as an evolutionary process. Science 2016, 352(6282): 169-175.

5.Cairns J, . Mutation selection and the natural history of cancer.Nature1975, 255(5505): 197-200.

6.Hunter KW, Amin R, Deasy S, Ha N-H, Wakefield L. Genetic insights into the morass of metastatic heterogeneity.Nat Rev Cancer2018, 18(4): 211-223.

7.Klein CA. Parallel progression of primary tumours and metastases.Nat Rev Cancer2009, 9(4): 302-312.

8.Yates LR, Knappskog S, Wedge D, Farmery JHR, Gonzalez S, Martincorena I, et al. Genomic Evolution of Breast Cancer Metastasis and Relapse.Cancer cell2017, 32(2): 169-184 e167.

9.Yachida S, Jones S, Bozic I, Antal T, Leary R, Fu B, et al. Distant metastasis occurs late during the genetic evolution of pancreatic cancer.Nature2010, 467(7319): 1114-1117.

10.Hu Z, Ding J, Ma Z, Sun R, Seoane JA, Scott Shaffer J, et al. Quantitative evidence for early metastatic seeding in colorectal cancer.Nat Genet2019, 51(7): 1113-1122.

11.Noorani A, Li X, Goddard M, Crawte J, Alexandrov LB, Secrier M, et al. Genomic evidence supports a clonal diaspora model for metastases of esophageal adenocarcinoma.Nat Genet2020, 52(1): 74-83.

12.Turajlic S, Xu H, Litchfield K, Rowan A, Chambers T, Lopez JI, et al. Tracking Cancer Evolution Reveals Constrained Routes to Metastases: TRACERx Renal.Cell2018, 173(3): 581-594 e512.

Timing and origins of local and distant metastases in lung cancer

• Tang W-F, Wu M, Bao H, Xu Y, Lin J-S, Liang Y, Zhang Y, Su J, Zhang J-T, Xu F-P, Chen J-H, Fu R, Chen Y, Yang T, Chen Q-K, Wu T-T, Wu X, Shao Y, Zheng J-T, Xie Z, Lv Z-Y, Dong S, Wu Y-L, Zhong W-Z, Timing and origins of local and distant metastases in lung cancer, Journal of Thoracic Oncology (2021), doi: https://doi.org/10.1016/j.jtho.2021.02.023.
  
  

Introduction 简介

Metastasis is the primary cause of lung cancer-related death. Nevertheless, the underlying molecular mechanisms and evolutionary patterns of lung cancer metastases are still elusive.

转移是肺癌相关死亡的主要原因。然而，肺癌转移的潜在分子机制和进化模式仍不清楚。

Methods方法

We performed whole-exome sequencing for 40 primary tumors and 61 metastases from 47 lung cancer patients, of which 40 patients had paired primary tumors and metastases. The primary tumor-metastasis genomic divergence, metastatic drivers, timing of metastatic dissemination, and evolutionary origins were analyzed using appropriate statistical tools and mathematical models.

我们对47例肺癌患者中的40例原发肿瘤和61例转移瘤进行了全外显子组测序，其中40例患者伴有原发性肿瘤和转移。利用适当的统计工具和数学模型分析原发性肿瘤-转移基因组差异、转移驱动因素、转移扩散的时机和进化起源。

Results 结果

There were various degrees of genomic heterogeneity when comparing the paired primary and metastatic lesions or comparing metastases of different sites. Multiple metastasis- selected/enriched genetic alterations were found, such as MYC amplification, RICTOR amplification, arm 20p gain, and arm 11p loss, and these results were cross-validated using an independent cohort from Memorial Sloan-Kettering Cancer Center database. To elucidate the metastatic seeding time, we applied a metastatic model and found 61.1% of the tumors were late dissemination, where the metastatic seeding happened ~2.74 years before clinical detection. One exception was lymph node metastases whose dissemination time was relatively early. By analyzing the evolutionary origins, we demonstrated the non-lymph node metastases were mainly seeded by the primary tumor (87.5%) rather than the earlier colonized lymph node metastases.

当比较成对的原发病灶和转移病灶或比较不同部位的转移时，存在不同程度的基因组异质性。多发性转移-发现了选择性/富集的遗传改变，如MYC扩增、RICTOR扩增、arm 20p增加和arm 11p丢失，这些结果通过纪念斯隆-凯特琳癌症中心数据库的独立队列进行交叉验证。为了阐明转移播散时间，我们应用转移模型，发现61.1%的肿瘤为晚期播散，而转移播散发生在临床发现前约2.74年。一个例外是淋巴结转移，其播散时间相对较早。通过分析进化起源，我们发现非淋巴结转移主要是原发肿瘤(87.5%)，而不是早期定植的淋巴结转移。

Conclusions 结论

Our results shed light on the molecular features that potentially drive lung cancer metastases. The distinct temporo-spatial pattern of disease progression revealed that lung cancer was prone to either late dissemination or indolent early lymph node metastases, leaving a potential time window to minimize metastases by early cancer detection.

我们的结果阐明了潜在驱动肺癌转移的分子特征。疾病进展的明显的时间空间模式揭示了肺癌容易出现晚期播散或惰性的早期淋巴结转移，这为通过早期癌症检测最小化转移留下了一个潜在的时间窗。

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2021-3-22 20:35 上传

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