恶性肿瘤细胞的耐药是癌症无法被彻底治愈的根本原因，一小部分残存肿瘤细胞由于具备逃脱药物和免疫系统杀伤的潜能而成为癌症难治/复发的根源，这一小部分残留的恶性肿瘤细胞即为微小残留病（Minimal Residual Disease, MRD）。MRD的研究始于血液系统恶性肿瘤，是血液系统恶性肿瘤治疗监测和预后评价的重要指标。近年来随着二代测序技术的发展，包括循环肿瘤细胞和循环肿瘤DNA监测在内的MRD检测手段也被广泛用于实体肿瘤的MRD评价[1-5]。然而，由于研究技术手段发展滞后等原因，MRD的发生机制目前尚不清楚。
2022年2月10日，中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程涛教授、清华大学古槿副教授和中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）竺晓凡主任团队联合在《Nature Cell Biology》期刊在线发表题为“Elucidating Minimal Residual Disease of Paediatric B-cell Acute Lymphoblastic Leukaemia by Single-cell Analysis ”的研究论文。此研究以儿童B细胞急性淋巴细胞白血病（B-cell acute lymphoblastic leukemia, B-ALL）这一儿童最常见的血液系统恶性肿瘤为研究对象，在国际上首次利用单细胞测序技术绘制了儿童B-ALL MRD的单细胞图谱，发现低氧信号通路异常激活是儿童B-ALL MRD细胞的重要特征，低氧信号通路是儿童复发难治B-ALL治疗的潜在治疗靶点。
作者首先利用健康儿童供者来源的骨髓单个核细胞绘制了儿童B细胞发育的参考单细胞图谱。随后作者筛选出初诊-诱导治疗（第19天，D19）-复发完整留存的连续时间点的4例B-ALL患儿骨髓样本，分选CD19+细胞用于单细胞转录组和单细胞BCR测序。根据BCR克隆多样性，作者初步识别了白血病细胞和正常B细胞，随后利用患儿特征性肿瘤分子标记进行分类验证，证实了利用BCR克隆多样性识别白血病细胞的可靠性并建立了识别白血病细胞的机器学习模型。利用正常B细胞参考单细胞图谱和白血病细胞机器学习模型，作者首先在单细胞水平比较了初诊和复发细胞在分化阶段、细胞周期、转录调控、关键基因表达等方面的差异，发现与初诊细胞相比，复发细胞存在逆分化现象，MYC等信号通路激活，细胞周期调控蛋白P21（CDKN1A）在复发细胞中显著高表达，体外实验验证表明敲降CDKN1A后会增加B-ALL细胞系化疗药物的敏感性，P21小分子抑制剂能够协同化疗药物有效杀伤B-ALL细胞。
通过比较初诊、D19和复发三个阶段白血病细胞的单细胞转录组数据，作者发现残留白血病细胞所处分化阶段并没有显著特征，但细胞周期更多处于静息状态，低氧信号通路显著激活。四例病人中三例病人的D19残留细胞表现低氧信号通路激活。之后作者利用体内外实验模型证实化疗药物处理后低氧信号通路的关键调控蛋白HIF1α表达升高，下游信号通路激活。针对HIF1α的小分子抑制剂PX478能够在体内外协同化疗药物有效杀伤B-ALL细胞系和原代B-ALL细胞，进而显著延长B-ALL PDX小鼠生存时间。
总之，此研究首次利用单细胞测序技术绘制了儿童B-ALL MRD的单细胞图谱，发现低氧信号通路在儿童B-ALL残留细胞样本中异常激活，低氧信号通路关键分子HIF1α的小分子抑制剂能够有效协同化疗药物治疗B-ALL。此研究为儿童B-ALL提供了极具潜在转化应用价值的治疗方案，为在其他血液系统恶性肿瘤和实体肿瘤中开展MRD研究提供重要参考范例。
中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程涛教授、清华大学古槿副教授和中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）竺晓凡主任是本文的通讯作者。中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）副研究员张英驰、清华大学硕士研究生王事成（已毕业）、中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）主治医师章婧嫽、博士研究生刘超（已毕业）和清华大学博士研究生李欣琪为本文的共同第一作者。此项研究受到中国医学科学院医学与健康科技创新工程和国家自然科学基金委重大项目等基金的支持。
参考文献
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3. Rambow F, Rogiers A, Marin-Bejar O, Aibar S, Femel J, Dewaele M, Karras P, Brown D, Chang YH, Debiec-Rychter M, Adriaens C, Radaelli E, Wolter P, Bechter O, Dummer R, Levesque M, Piris A, Frederick DT, Boland G, Flaherty KT, van den Oord J, Voet T, Aerts S, Lund AW, Marine JC. Toward Minimal Residual Disease-Directed Therapy in Melanoma. Cell 174, 843-855 e819 (2018).
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