Nat Med | 一文详解癌症药物基因组学研究

2023-02-03 09:36:38, 西湖欧米wOmics 西湖欧米(杭州)生物科技有限公司





研究背景及简介:

目前流行的精准肿瘤学范式在很大程度上是由癌症基因组学驱动的,也就是说,治疗药物的选择与给定的基因组异常相匹配。虽然这对于具有明确靶点的药物具有很大的参考价值,但对于大多数药物来说,药物反应机制非常复杂。因此,仅评估遗传驱动因素可能无法充分转化为对治疗效果的准确预测。基于此,人们对癌症治疗个体化中的功能性精准医学方法越来越感兴趣。

      

急性淋巴细胞白血病(ALL)是儿童期最常见的癌症,包括一系列临床异质性分子亚型。目前ALL风险分层的范式整合了临床特征、白血病体细胞基因组畸变和通过微小残留病(MRD)测量的早期治疗反应。然而,MRD患者间变异性的药理学基础知之甚少,体细胞基因组学与耐药表型之间的关系尚不清楚。因此,全世界的所有治疗方案几乎一致地使用相同的常规化疗药物,时间和强度几乎没有变化,并且不受患者对特定抗白血病药物敏感性的影响。在当前个性化精准诊疗的时代,明确生物学和药理学上知情的化疗选择是否能够进一步改善ALL治疗结果势在必行。

       

2023年1月5日,来自美国St. Jude儿童研究医院的杨俊教授团队在 Nature Medicine(IF=87.241)发表题为 “Pharmacotypes across the genomic landscape of pediatric acute lymphoblastic leukemia and impact on treatment response” 的文章,这是迄今最全面的儿童急性淋巴白血病的药物基因组图谱,该研究为今后的ALL个性化的精准治疗提供了蓝图。


图1 文章标题


实验样本及设计:


  • 研究队列:来自St. Jude儿童研究医院805名儿童和青少年;

  • 样本类型:骨髓或外周血ALL细胞;
  • 研究方法:为了全面表征药物敏感性特征与体内治疗反应之间的关系,该研究对St. Jude全疗法XV、XVI和XVII试验中接受治疗的805名患者的原代ALL细胞上的18种药物进行了离体药物分型。通过MTT测定或MSC与流式细胞术共培养进行药物分析,评估了每种药物LC50。还对每位患者进行了RNA-seq,以确定分子亚型。此外,作为每项治疗试验的一部分,每位患者都有诱导中期(第15天)或诱导后(第42天)MRD,作为体内治疗对化疗反应的衡量标准。然后,对药物敏感性、体细胞基因组学、MRD和长期生存结局进行了综合分析,以表征儿童ALL的药物基因组学景观。

图2 本研究ALL药型、分子亚型和治疗反应评估的示意图

文章结论


1

临床特征与ALL药物敏感性的相关性


该研究测量了来自805名患者的白血病细胞对18种药物的敏感性(LC50)。同时,对诊断性ALL细胞进行了RNA-seq测序,将每位患者分配到23种独特亚型中的1种。在所有药物中,观察到药物敏感性存在广泛的个体间差异,平均变异系数为55.3%。数据分析发现,10岁以上患者L-asparaginase和Prednisolone的标准化LC50中值高于1至10岁的患者。临床检测中白细胞计数≥50×109/L的患者与<50×109/L的患者相比,Mercaptopurine和Dasatinib标准化LC50中值更低。

美国国家癌症研究所(NCI)ALL风险小组评估,NCI高危患者(年龄大于10岁或白细胞计数≥50 × 109/L)仅L-asparaginase的LC50中位数高于NCI标准风险患者(年龄小于10岁且白细胞计数<50 × 109/L)。药物LC50在性别或血统上没有显著差异。


图3  18种药物LC50测量结果的总体模式


2

药物敏感性因亚型而异


接下来,研究人员试图在ALL的体细胞基因组景观中描述药物敏感性。检测的18种药物中有14种表现出显著的亚型间变异性。


图4 ALL药物对所有分子亚型的敏感性

其中,ETV6-RUNX1和超二倍体ALL对通常用于缓解诱导(PVDL)的四种药物高度敏感。对于这两种已知预后良好的亚型,ETV0-RUNX18的PVDL LC50中位数为6.1,超二倍体为0.26,均显著低于其余亚型。相比之下,已知预后较差的亚型,BCR-ABL1、BCR-ABL1-likeKMT2A,表现出更高的PVDL LC50DUX4是一种最近发现的具有良好预后的亚型,PVDL LC50为0.33。

同时,还观察到对靶向药物的敏感性高度依赖于亚型。超二倍体对Venetoclax的敏感性明显高于非超二倍体。T细胞ALL、TCF3-PBX1BCR-ABL1对Dasatinib的敏感性较高。NUTM1对于几种抗代谢药物有较低的LC50

图5 亚型间药物敏感性对比分析


尽管具有几乎相同的全基因表达谱,但ETV6-RUNX1-like和ETV6-RUNX1ALL在药物敏感性方面表现出显著差异。与其他T细胞ALL相比,早期T细胞前体(ETP)ALL对抗代谢和非抗代谢细胞毒性药物更具耐药性。与 T 细胞 ALL 相比,ETP显示出更高的Venetoclax敏感性趋势。综上所述,该研究数据指向ALL中新的亚型特异性治疗机会。


3

ALL体外药物敏感性与MRD的关系


进一步分析发现,与MRD显著相关的药物在B细胞ALL和T细胞ALL之间差异显著。在B细胞ALL中,与第15天和第42天MRD呈正相关的药物包括 L-asparaginas、Prednisolone、Dexamethasone和Mercaptopurine。


此外,Thioguanine和Cytarabine也与第15天的MRD相关。对于T细胞ALL,Panobinostat和Dasatinib与第15天MRD呈正相关,Venetoclax与第15天MRD呈负相关,Nelarabine与第42天MRD呈正相关。


利用纵向MRD数据(第15天和第42天),将患者分为对诱导治疗耐药性增加的组,即早期清除白血病并保持MRD阴性的患者最敏感,而在两个时间点均具有高MRD的患者最耐药。


在B细胞ALL中,Prednisolone和L-asparaginase LC50随着MRD类别的增加而逐渐增加,但在T细胞ALL中没有增加,表明耐药性对MRD的谱系特异性影响。更重要的是,体外白血病细胞对Prednisolone耐药性最能预测MRD持续性(即第42天的MRD阳性)。相比之下,白血病细胞对L-asparaginase的敏感性与早期MRD清除(即第15天的MRD阴性)最显著相关。





图6 诱导治疗期间所有药物敏感性与MRD的相关性


4

依据药物类型定义不同的ALL亚群和

预后


研究人员采用无监督分层聚类分析,将ALL分为6个具有独特药物反应表型模式的类群。第 I 类定义为对Dasatinib和Ibrutinib的显著敏感性,而第 II 类显示对Venetoclax和Trametinib的敏感性。第Ⅲ类病例对L-asparaginase和Prednisolone普遍敏感。第Ⅳ类与Prednisolone表现出相似的敏感性,但基于L-asparaginase抗性与第III类不同。第V类是最具耐药性的组,所有细胞毒性药物的LC50最高。然而,该组也对Trametinib、Venetoclax和Ibrutinib等靶向药物表现出一定的敏感性。第VI类具有更异质性的药物敏感性特征,对Glucocorticoids具有一致的耐药性,但对其他细胞毒性或靶向药物的反应不一。


与基因组学的结果关联分析显示,以每个基于药物敏感性的簇为代表的体细胞基因组学存在高度异质性。第I类主要由已知对Dasatinib敏感的亚型定义,即BCR-ABL1(27%)和T细胞ALL(50%)。第Ⅱ类中超二倍体(41%)具有高比例。第Ⅲ类的ETV6-RUNX1比例最高(41%),其次是超二倍体ALL(23%),可能由化疗敏感的低风险ALL组成。第Ⅳ类是高度异质的,代表19种不同的亚型。


在该集群中,DUX4(9%)和KMT2A(6%)占优势。第Ⅴ类的T细胞ALL(31.6%)、ETP ALL(10.5%)和BCR-ABL1-like(5.3%)的比例更高。第VI类也表现出多样化的亚型组成,KMT2A(6.5%)和BCR-ABL1-like(4.3%)的患病率较高,TCF3-HLF仅出现在该类群中,所有这些都与预后不良有关。


同时,MRD反应在药物敏感性类群中也存在显著差异。与第Ⅳ、第Ⅴ和第Ⅵ类相比,类群I、II和III代表了白血病早期快速清除的患者。在第42天,类群I、II和III继续显示出较高的MRD阴性。第IV类患者在第15天具有较高的MRD阳性率,但在随后的诱导治疗中,在第42天MRD清除率大大提高。





图7 药物敏感性定义不同的ALL患者集群


最后,该研究团队评估了药物敏感性聚类模式与ALL治疗结局的相关性,重点关注长期生存数据成熟的全疗法XV和XVI试验。6个药物敏感性类群的无事件生存率(EFS)差异显著。以类固醇和硫嘌呤敏感性为特征的类群III和IV具有最佳的生存结局,与快速MRD清除一致。相比之下,第I类在该队列中的结局最差。进一步发现,达沙替尼敏感性在T细胞ALL中的预后影响大于MRD。


图8 药物敏感性特征与EFS的关系


综上所述,这些数据揭示了ALL对不同治疗药物敏感性的内在关系,并指出了ALL患者对诱导治疗反应和长期生存结局的亚型间变异性的药理学基础。



编译:周承
审校:刘晶晶


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