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《Nature》研究人員當心!癌細胞株可能與您想的不同

2018/08/13/編輯部

癌細胞株研究為癌症研究的根基,細胞株通常是由患者的腫瘤樣本中收集,並在實驗室中培養,運用在基礎遺傳研究到新藥開發研究中,並且癌細胞株長期以來一直被認為具有高遺傳穩定性與一致性,但研究發現癌細胞株因不同培養方式或藥物的給予而有戲劇性的改變 – 癌細胞株可能改變其原本的基因組態。 

通常科學家們認為,就算其持續成長與分裂的細胞中基因應保持一致,但Broad研究機構的研究人員指出,實際上癌細胞株因不同培養方式或藥物的給予將改變其原本的基因組態,可能有助於解釋研究上常發生使用相同細胞株卻產生相互矛盾的結果。 

事實上,研究人員早就發現細胞株無法完全與原始腫瘤細胞相同,雖說如此,癌細胞株仍被認為具有代表性與穩定性,足以提供癌症生物學與藥物反應。然而研究人員常常難以達到癌細胞株的實驗再現性,並且尚無人做系統性的研究說明為何無法呈現再現性。 

而當研究人員重新分析基因序列資料庫中106株細胞株,比對以下兩個資料庫:癌細胞株百科全書(Broad Institute’s Cancer Cell Line Encyclopedia, CCLE)與癌症藥物敏感性基因體(Genomics of Drug Sensitivity in Cancer, GDSC)資料庫,這兩資料庫對比後發現癌細胞在基因遺傳上具有高度的變異性,研究人員首次開始懷疑癌細胞株革命。 

研究團隊用2種廣泛使用的細胞株進行研究:27種雌激素受體陽性乳腺癌细胞MCF-7與23種肺炎細胞株A549,分別以全基因定序(whole-genome DNA sequencing)檢測450個在癌症細胞中常突變的基因,還做了大量的單細胞RNA序列(single-cell RNA-sequencing),每種不同的細胞株代表該品系經過不同種類的實驗室操作,不同培養時間長短以及不同的原始來源。 

結果顯示了不同細胞株間具有高度的基因組差異,由單一點突變到大規模的基因結構改變(例如:整個染色體臂的丟失),甚至基因表現的改變,均指向癌細胞株既不穩定且一致性也不高,這些基因改變甚至影響細胞株的成長速率、細胞大小、形狀以及其他性狀。 

同為MCF7細胞株 卻具有不同細胞型態(圖片來源:《Nature》)

同為MCF7細胞株 卻具有不同細胞型態(圖片來源:《Nature》)

在27個MCF-7細胞株中,研究人員發現整個基因組中有大規模的重複與缺失,有13%重複與21%有缺失的情形,僅有一個細胞株為7%重複與13%缺失,除此之外,多達1574個基因(其中包含具有生物學與治療相關基因),不同細胞株間高達2倍以上差異,就算是相同細胞株,各細胞間在基因表現上亦有顯著的差異。 

基因變化影響癌細胞株對藥物反應

 在另一篇研究中,使用源於不同研究室中27種乳癌細胞株MCF-7研究發現其具有多樣化的基因組態,以321種具抗癌活性的化合物測試時,研究人員發現對藥物具有不同反應,有55種化合物對癌細胞株具有抑制作用,能抑制癌細胞的生長50%以上,但其中卻有48種抗癌化合物無法抑制癌細胞株的生長。 

然而不僅癌細胞會突變,其實一般細胞株也會突變。研究人員在不同條件下進行細胞株培養,發現僅僅是不同培養基條件就足以影響相同細胞株產生不同細胞型態。彷彿物種進化一般,培養環境也能夠對細胞株進行物競天擇,使某些細胞更具有生存優勢。 

這結果也與先前另一篇2017年發表於《Nature Genetics》的研究不謀而合,此研究使用「人源性腫瘤細胞異種移殖」(patient-derived xenograft, PDX)小鼠模型,是指由患者身上取出的新鮮腫瘤檢體,處理成微腫瘤小塊後移植到有免疫缺陷的老鼠群身上,再給老鼠使用多種抗癌新藥,最後觀察各個不同老鼠的反應,找出每一隻老鼠最適合的治療方式。隨著時間的流逝,研究人員發現PDX動物模型中的人類癌細胞在小鼠體內逐漸失去了原本的基因表徵,而發展出新的基因特徵,將可能影響PDX模型對藥物的反應。 

危機可能亦是轉機

 研究結果提醒各位研究人員應正視並了解使用之癌細胞株與母細胞株的差異,使研究能夠更精確,因此,研究團隊開發了一個線上工具Cell STRAINER,以幫助研究人員對照其使用之癌細胞株與癌細胞百科全書上的基因組態情形。 

Cell STRAINER,可比對癌細胞株樣品與參考文獻上的細胞株之一致性,就如同癌細胞株百科全書(Broad Institute’s Cancer Cell Line Encyclopedia, CCLE),研究人員可通過上傳細胞株的拷貝數(Copy number)來評估此細胞株與CCLE的參考菌株的差異,藉此計算出其遺傳距離,遺傳距離為基因表達與藥物反應的良好指標。 

研究團隊亦指出,細胞株的進化實際上可以提供研究癌症生物學領域一個新的發展方向,由於細胞株具有相同的普遍遺傳基因,未來可以在兩個細胞株上測試相同的化合物來研究其化合物的作用機制或對細胞株基因表現差異靈敏性。 

研究人員希望此研究能提供未來實驗上更多不同的觀點與想法,並建立癌細胞如何在癌症患者體內進化的新視角。 

資料來源:

[1]Sharma, S. V., Haber, D. A. & Settleman, J. Cell line-based platforms to evaluate the therapeutic efcacy of candidate anticancer agents. Nat. Rev. Cancer 10,241–253 (2010). 

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-018-0409-3 

[3]Barretina, J. et al. The Cancer Cell Line Encyclopedia enables predictive modelling of anticancer drug sensitivity. Nature 483, 603–607 (2012). 

[4]https://www.broadinstitute.org/news/cancer-cell-lines-evolve-ways-affect-how-they-respond-drugs 

[5]https://cellstrainer.broadinstitute.org/

“History Doesn't Repeat Itself, but It Often Rhymes” – Mark Twain.

文章分類 科學要聞

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