新技术帮助研究人员看到癌细胞转移。图片来源：Jeffrey Quinn

在牛顿力学中，如果你知道一个球的速度、位置以及作用其上所有的力，你就能知道球在未来任何时间的运动方向。

一支研究团队希望在细胞上做同样的事情——测量癌细胞在任何给定时间的位置，甚至预测它们未来会出现在哪里。

人们知道，当癌症局限于身体的一个部位时，通常可以通过手术或其他疗法进行治疗。目前，大部分与癌症有关的死亡源于转移。

现在，研究人员绘制出癌细胞详细的家族树，以便追踪细胞谱系，从而发现单个癌细胞何时变得异常，并开始“跳到”到身体其他部位。相关论文近日发表于《科学》。

看到“转瞬即逝”

肿瘤转移的确切时刻转瞬即逝。

该研究负责人、美国怀特黑德研究所的Jonathan Weissman表示，肿瘤转移隐藏在细胞的数百万次分裂中，这很难实时监测。

一直以来，许多研究团队都在尝试找到癌症转移的线索。

未参与上述研究的约翰斯·霍普金斯大学医学院细胞生物学教授Andrew Ewald表示，“了解癌细胞是如何被限制的可以帮助我们开发能预测个体癌症转移风险的方法。”其团队曾发现乳房乳管周围的细胞层能够伸出并捕获逃逸的癌细胞以防止其在体内扩散。

2018年，华盛顿大学研究人员提出了一项描绘生物分子在实体肿瘤内部和周围流动的新技术。他们利用飞行时间二次离子质谱观察到分子如何移动以及肿瘤如何向其微环境发送信号并且消耗局部组织资源。

前不久，《中国科学报》记者从怀特黑德研究所获悉，Weissman团队与加州大学伯克利分校、加州大学旧金山分校等机构研究人员，利用CRISPR工具实现了这一目标。

细胞同“系”不同“路”

过去，科学家通过比较癌细胞DNA图谱中的共同突变和其他变异来追踪癌细胞谱系。然而，这些方法在一定程度上依赖于有足够的自然突变或其他标记物能准确地显示细胞间的关系。

这次，研究人员决定自己添加标记。研究人员改造了人类癌细胞。然后，他们将数千个转基因的人类癌细胞植入小鼠体内，以模拟肺癌。“我们设计了一个有基因组DNA模板的细胞，然后用CRISPR在上面‘书写’。”Weissman告诉记者，这意味着一个细胞的孙辈将在基因组中记录其父母和祖父母细胞的“笔迹”。

当细胞开始分裂时，Cas9在目标靶位切割出小口。当细胞修复切口时，它会插入或删除一些随机的核苷酸，造成一种独特的修复序列。这种切割和修复几乎在每一代中都是随机发生的，从而形成了一张细胞分裂图。

借助计算机模型他们看到了有趣的结果：单个肿瘤细胞与他们的预期有很大不同。

研究使用的细胞来自团队建立的人类肺癌细胞系A549。研究人员表示，你可能会认为它们相对来说是同类的。但事实上，他们看到了不同肿瘤细胞转移倾向的巨大差异——即使是在同一只小鼠中，有些只有很少的转移性事件，而有些转移速度非常快。

之后，研究小组将同一细胞的两个克隆体植入不同的小鼠体内。随着细胞增殖，研究人员发现后代细胞的转移速度非常相似。然而，来自同一细胞系的不同细胞的后代却并非如此——随着细胞系被维持了许多代，它们进化出了不同的转移潜能。

为了找出原因，团队开始寻找在非转移性、弱转移性和高转移性肿瘤中表达的基因。结果，他们发现一种编码角蛋白17的基因，它在低转移性肿瘤中比在高转移性肿瘤中表达更强。“当敲除或过表达角蛋白17时，我们发现这个基因实际上控制了肿瘤的侵袭性。”Weissman说。

来有影  去有踪

该CRISPR方法也让研究人员能追踪转移细胞进入体内的位置和时间。

细胞转移轨迹可以在系统发育树中被精确地绘制出来。论文共同第一作者、怀特黑德研究所的Jeffrey Quinn表示，这些图中有不同的颜色，每种颜色代表身体的不同位置，一棵色彩斑斓的树显示了高度转移的表型，即一个细胞的后代在不同的组织之间跳跃了许多次。以一种颜色为主的树代表的是转移性较低的细胞。

通过这种方式绘制肿瘤进展，研究人员发现，一些克隆有教科书式的繁殖方式，从它们开始繁殖的左肺开始，跳到到身体的不同部位。另一些则不稳定，它们首先跳到其他组织，然后再从那里转移。

此外，位于两肺之间的纵隔淋巴组织，似乎有各种各样的“枢纽”，Quinn告诉记者，这些好像充当了中转站，将癌细胞连接到肥沃“土地”上，然后它们就可以去“殖民”。

而这些“中转站”对癌症治疗可能非常有用。研究人员表示，如果把癌症治疗的重点放在这些部位，就可以在第一时间减缓或预防转移。

“我们想要构建一个驱动肿瘤分化的函数，然后能够测量它们在任何给定时间的位置，并预测它们在未来的位置。”Weissman说，“通过追踪体内肿瘤演进史，你可以揭示肿瘤在生物学上的差异，而这通常是不可见的。”

Weissman实验室的Matthew Jones说：“我认为这将为我们在生物学中认为的可测量打开一个全新的维度。我们正在重新定义什么是看不见的，什么是看得见的。”

相关论文信息：http://dx.doi.org/10.1126/science.abc1944