Ein team von Forschern, angeführt von Bradley Bernstein an der Ludwig-Center an der Harvard verwendet hat single-cell technologies und machine learning zur Erstellung eines detaillierten “atlas of cell-Staaten” für die akute myeloische Leukämie (AML), die helfen könnten Verbesserung der Behandlung der aggressiven Krebs.
AML ist gekennzeichnet durch die Ansammlung von weißen Blutkörperchen im Knochenmark und Blut. Die Krankheit ist notorisch schwierig zu studieren, weil das Knochenmark von AML-Patienten enthält eine Vielzahl von normalen und malignen Zelltypen. Dies beinhaltet undifferenzierten primitiven Krebszellen mit Stammzell-ähnliche Eigenschaften und differenziert zu Reifen Krebszellen, die Einfluss auf die tumor-Umwelt in unterschiedlicher Weise. AML-Zellen auch ständig zum Erwerb DNA-Mutationen, die Verzweigung in Linien von verwandten “subclones.”
“Wir haben gewusst, dass in einer qualitativen Art und Weise seit den 1960er Jahren, dass AML-Tumoren sind heterogene Gemische von Zellen”, sagt Peter van Galen, ein lead Co-Autor des Papiers und ein post-doc research fellow in Bernstein ‘ s lab am Massachusetts General Hospital. “Nun, wir haben eine sehr quantitative Art und Weise der Bestimmung der verschiedenen Zelltypen innerhalb dieser Tumoren.”
In der neuen Studie, die online veröffentlicht am 28. Februar in der Zeitschrift Cell, Bernstein und seine Kollegen, darunter Ludwig Harvard Ermittler Jon Aster und Andrew Lane, kombiniert cutting-edge-Technologien — single-cell-RNA (scRNA) Sequenzierung, lange Lesen nanopore DNA-Sequenzierung und machine learning — zur Unterscheidung normaler Zellen von cancerous und organisieren Sie auf der Grundlage Ihrer DNA-Sequenz und gen-expression ähnlichkeiten.
“Dieses Projekt war eine interdisziplinäre Bemühung, die angeschlossenen Ingenieure MIT und dem Broad Institute, Krebs-Forscher und Onkologen am Massachusetts General Hospital, Dana-Farber Cancer Institute und Brigham and Women ‘s Hospital”, sagte Bernstein, der Ludwig-Center an der Harvard University, der Harvard Medical School und Massachusetts General Hospital.
“Wir konnten nicht getan haben, dies ohne die vision, dass die Ludwig-Direktoren hatten im Mittel eine Anstrengung zu beginnen-banking-Leukämie-Proben”, fügte Bernstein.
scRNA Sequenzierung erfasst eine Momentaufnahme einer Zelle die gesamte Transkriptom -, dass alle mRNA-Moleküle in einer Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt. Damit können die Forscher brechen einer Bevölkerung von Zellen in verschiedene Typen und verfolgen Sie die evolution der Zell-Linien. Das team verwendete ein neues scRNA-sequencing-Methode zum erfassen der vollständigen transkriptoms von fast 40.000 Zellen im Knochenmark gesammelt von 16 Patienten mit AML und fünf gesunden Spendern.
“Dies ist das erste mal das getan wurde, in einem high-throughput-Weise,”, sagte Studie co-erste Autor Volker Hovestadt, postdoctoral research fellow in Bernstein ‘ s lab. “Anstelle des” profiling ” nur ein paar hundert einzelnen Zellen, wir waren in der Lage zu Profil Zehntausende.”
Aber die Genexpressionsprofile von AML-Zellen ähneln normalen. Um diese Herausforderung zu meistern, die das team durchgeführt, single-cell-Genotypisierung auf die Knochenmark-Zellen, screening Sie für eine Reihe bekannter AML genetische Marker zu Holen, diejenigen, die waren bösartig. “Um wirklich Nagel, mussten wir integrieren eine Dritte-generation-DNA-Sequenzierung Technik namens long-read nanopore-Sequenzierung, die verbesserte Erkennung von Mutationen im gesamten Genom, die” van Galen”, sagte.
Long-read sequencing-scans wesentlich längere DNA-Fragmente, die Förderung der Verschiedenheit der Erfassung aller Mutationen angesammelt, die in einer gen. Es erlaubt den Forschern, um effizienter zu identifizieren, die Nachkommen von unterschiedlich mutierten Zellen, genannt subclones, dass kann variabel beeinflussen, der Krebs ist Wachstum, metastatischem Potenzial, und das ansprechen auf die Therapie.
Schließlich werden die Forscher in ein machine-learning-Algorithmus zu bringen, die scRNA-Sequenzierung und-Genotypisierung Daten zusammen. Das Ergebnis war eine Karte oder ein “atlas” der verschiedenen AML-Zell-Typen und dem normalen Blut Zelltypen, mit denen Sie co-existieren in der Knochenmark-Umgebung.
Der atlas erlaubt die Forscher, um zu sehen, auf einen Blick nicht nur die Zellen waren bösartig, aber auch deren Mitgliedstaaten-primitiv, differenziert oder in den Prozess der Differenzierung. Da tumor-Proben wurden gesammelt von Patienten zu unterschiedlichen timepoints, konnten die Forscher vergleichen die Entwicklungs-Hierarchien der AML-Tumoren zwischen Personen und verfolgen Sie die Entwicklung der Hierarchien von der ersten Diagnose über die Behandlung und Ergebnis.
Die Forscher zeigen, dass die transkriptionelle Programme von AML-Zellen sind abweichend geregelt. “In normalen Zellen, Entwicklung fortschreitet in Etappen. Sie gehen von Zelle Typ-X-zu-Zell-Typ Y,” Bernstein sagte. “Diese Leukämie-Zellen co-express ein mish-Maische von Genen aus verschiedenen Phasen.”
Die Forscher entdeckten auch mehrere subclonal Populationen innerhalb einer einzelnen AML-Patienten. “In mindestens einem Fall, der zwei subclones verhielt sich ganz anders und hatten unterschiedliche gen-expressionsprofile,” Bernstein sagte. “Ein subclone war meist der Differenzierung, während die anderen verhaftet wurde ein sehr aggressiver Staat, und die aggressive subclone hatte eine mutation, die wurde im Einklang mit einer schlechten Prognose des Patienten.”
Die Befunde können auch erklären, warum Therapien, dass der Gurt T-Zellen des Immunsystems, um Ziel-Tumoren wurden relativ weniger erfolgreich gegen AML. Die Forscher identifizierten eine Klasse von Zellen, die sich benommen, wie weiße Blutkörperchen bekannt, zu unterdrücken Anti-Krebs-Immunantworten.
“Sie können davon ausgehen, dass diese normalen Zellen, aber wenn Sie sich auf Ihren Genotyp, sehen Sie, dass Sie harbor leukämischen Mutationen,” Bernstein sagte. “Dies sind die Zellen, die der tumor produziert, die das Immunsystem unterdrücken. Es ist eine adaptive überleben-Mechanismus für den tumor.”
Ihre Ergebnisse, die Forscher beachten, sollte Hilfe bei der Entwicklung neuer Strategien für die Immuntherapie und die Präzision Medizin für die Behandlung der AML.
Diese Forschung wurde unterstützt durch die Ludwig Cancer Research, dem US National Institutes of Health, National Cancer Institute und der National Human Genome Research Institute.
