Cell观点 | 癌症登月计划之人类肿瘤图谱网络的建立
2020年4月16日，Broad研究所Aviv Regev与多个实验室以及人类肿瘤网络图谱（Human Tumor Atlas Network，HTAN）联盟合作在Cell发表观点文章The Human Tumor Atlas Network: Charting Tumor Transitions across Space and Time at Single-Cell Resolution，从时间-空间方面在单细胞分辨率上对肿瘤发展过程进行阐述和总结以建立人类肿瘤网络图谱。
癌症中的关键转变过程，包括肿瘤的发生、局部扩展、转移和治疗耐药性，都涉及到动态肿瘤生态系统中细胞间的复杂相互作用。单细胞基因组技术的空前发展为这种复杂相互作用的研究提供了机会。人类肿瘤图谱网络是美国国家癌症研究所 (National Cancer Institute, NCI) 癌症登月计划的一部分，它将建立一个临床、实验、计算和组织框架，为各种不同的肿瘤类型生成信息丰富和可访问的癌症转移三维图谱数据集。
2016年美国前总统奥巴马在国情咨文中提出启动癌症“登月计划”，旨在将“美国变成可以治愈癌症的国家”。在上世纪60年代，时任总统肯尼迪提出了“登月计划”，在当时人们认为人类登上月球是不可能完成的事情，而最终人类实现了登上月球这一宏伟目标。而奥巴马提出的癌症登月计划，希望能够推动科学研究向前发展，攻克癌症治疗的难关。
作为癌症登月计划的一部分，人类肿瘤图谱网络产生的数据将为我们对癌症生物学的理解产生深远的影响，并有可能提高癌症的检测、预防和治疗发现，为癌症患者和那些有癌症风险的人提供更好的精确药物治疗。人类肿瘤图谱网络将发展多种癌症变化过程的3D图谱，类似于Google Maps一样易于查找和使用。癌症的转变过程将跨越肿瘤的发展，包括前恶性肿瘤到恶性肿瘤、原发肿瘤到肿瘤转移、从治疗前到治疗后的反应等等（图1）。希望能够对肿瘤发展过程中不同时间点的肿瘤结构、细胞组成以及多维度的相互作用进行解析，帮助鉴定新颖的肿瘤细胞标记物以及找到新的治疗方法。
图1 癌症的不同发展转变阶段
在本文中，科学家们将介绍动态的、多参数的三维肿瘤图谱的概念、应用潜力、基础研究以及实验与计算策略。同时还将对人类肿瘤图谱网络的组织结构、相关补充计划和合作单位以及合作机会进行介绍，向大众介绍全面展开人类肿瘤图谱网络的构建宏图。
癌症关键转变时期的3D图谱的建立及其功能
癌症3D图谱是关于细胞状态、类型、程序和细胞状态转变的全面、概括性的内容，将包含肿瘤细胞相互之间的物理位置、支持基质和细胞外基质等信息。总体而言，第一代图谱可能包括一系列类似肿瘤的交互式2D和3D可视化，并将关键的分子和细胞特征与临床数据元素和患者预后联系起来。而二代肿瘤图谱需要从多参数数据集中获得更多信息，以有意义地表达描述特定肿瘤分的遗传、分子、超微结构、细胞和组织学特征的多维度组合（图2）。
图2 肿瘤3D图谱的测量内容
为了达到这一目标，人类肿瘤图谱网络的建立将逐步完成以下五项内容：1）收集细胞和亚细胞分辨率的不同空间数据；2）基础的数据加工和质量控制确保数据的精确性和可重复性；3）精确肿瘤细胞组成、状态和位置信息；4）鉴定细胞-细胞相互作用，细胞内的交流以及肿瘤细胞微环境等中等尺度的信息；5）将实验和临床信息整合到数据图谱之中（图3）。
首先，肿瘤微环境及其组成细胞间的相互作用为治疗提供了方向【1】；其次，尽管以前的研究大多集中在治疗和预后数据有限的原发性肿瘤上，人类肿瘤图谱网络强调纵向采样，包括癌症发生之前、晚期肿瘤、转移和治疗反应，同时收集全面的临床数据；第三，空间方法的整合将有助于将癌症基因组学和组织病理学联系起来，这是诊断癌症和提供治疗信息的两种主要手段。这些将共同为检测、预防和治疗策略提供信息【2】。
人类肿瘤图谱网络允许对癌症患者或那些癌症风险增加的患者进行更精确的治疗，并对一线治疗方法进行调整，以降低耐药和复发的风险。它们还将有助于为那些肿瘤对现有治疗方法没有响应的患者开发新的治疗策略。
如何建立肿瘤图谱？
由于构建三维肿瘤地图集需要临床、实验、计算和组织框架的集成，人类肿瘤图谱网络的建立工作涵盖了从样本收集和细胞、空间分析工具开发到数据分析、图谱可视化和查询等各个方面。我们将从临床肿瘤样品选取、细胞时空图谱获得以及数据分析图谱建立等方面对如何建立肿瘤图谱进行总结。
人类肿瘤图谱网络在临床肿瘤样品的收集和鉴定方面需要确保广泛性，要从不同种族的人群中获得高质量的样本。被收集纳入的临床肿瘤样本将被广泛注释，以便获得详细的临床数据，包括人口统计信息和治疗历史。大多数样本还会被前瞻性地收集，在选定的病例中，会对病人样本进行多次取样，用于获取正常组织、癌前病变、原发肿瘤和转移的匹配组合。
为了研究癌前病变向癌症的转化，人类肿瘤图谱网络的研究人员将回顾性地利用储存冷冻或福尔马林固定石蜡包埋 (Formalin-fixed paraffin-embedded, FFPE) 活组织切片或组织切片。同时他们还将前瞻性地收集晚期或临近癌前病变的纵向样本。在可能的情况下，以全时间广度追踪癌变的发生发展过程。为了研究癌症转移过程，类肿瘤图谱网络的研究人员将从原发部位和转移部位获取活检样品和手术切除肿瘤样品。同时辅以快速尸检，这将使对同一个人的原发和播散性肿瘤在多个地点进行广泛抽样成为可能3。
高分辨率的单细胞和空间分析需要对不同的样本类型 (切除、活检和体液) 和处理方法 (新鲜、冷冻和固定) 以及统一的元数据收集设置适当的质量指标。人类肿瘤图谱网络的研究人员将解决标本采集过程中的几个关键挑战：1) 分析前变量的记录，如从样本采集到分析的时间，以及样本的照相记录；2) 建立标准化操作程序，简化对新鲜、冷冻和固定组织的处理；3) 根据样本量确定技术的优先级，对单个肿瘤标本进行多次检测的操作；4) 同一个体的纵向抽样；5) 从一系列可能的样本中获取代表疾病谱系的病例。
大多数人类肿瘤图谱网络都采取了双管齐下的方法建立肿瘤图谱，一方面是通过分离的标本中收集单细胞的转录组、蛋白质组、全基因组染色质可及性或者甲基化的特征分析，另外一方面对组织中的RNA或者蛋白质进行空间分辨的多组分结合分析方法，同时在形态学和解剖学的方面利用高分辨率显微镜以及核磁共振等方式加入更多维度的信息（图4）。
而数据分析和图谱建立则是人类肿瘤图谱网络的临门一脚，计算分析对研究和实验设计具有迭代性的指导作用。多数据集成、深度学习等技术将会持续应用到对于人类肿瘤图谱网络的建立之中。另外，可查询网络平台的建立也为人类肿瘤图谱的可视化应用提供了重要机会。新发展的计算技术将会逐步纳入人类肿瘤图谱网络计划之中。
挑战与解决方案
实验设计不可能一步到位、面面俱到，任何时候科学家们都准备着Plan B甚至是Plan C。人类肿瘤图谱网络建立计划庞大而有条理，同时也获得多方的合作和支持。但是发展过程不是一帆风顺的，在建立过程中可能会遇到各种问题。首先，代表多个肿瘤进展阶段的样本通常来自不同的患者，因此需要通过计算来推断进展的途径和机制。其次，该图谱反映的是不同来源的数据图谱，是多种技术、不同患者多种分析模式的整合。第三，评估人类肿瘤图谱网络的预测潜力需要对每种肿瘤类型所需的个体、细胞等方面进行评估。总的来说，人类肿瘤图谱网络会遇到的巨大挑战是肿瘤样品来源庞杂、数据内容多元化、从病人样品出发反向评估预测涉及的内容繁复。关于以上问题的解决的方案，包括沿家系进行垂直研究、增加病人样品的取样、优化福尔马林石蜡冷冻包埋样品的处理方式、提高云平台运算水平等等。
展 望
通过构建人类肿瘤图谱网络，整合细胞和空间分子分析肿瘤的发生发展转化过程，为完善人们对于恶性肿瘤的认识和转化医学方面的应用有着深远的影响（图5）。人类肿瘤图谱网络跨越多个空间尺度，为临床方面恶性肿瘤的发展演化、治疗反应和耐药性以及具体分子机制的研究提供了重要平台。
在癌症发展的早期阶段，人类肿瘤图谱有助于识别与之相关的遗传、表观遗传和环境因素的影响，让罹患癌症的病人打有准备之仗。在晚期癌症中，有助于人们理解癌症转移过程的驱动因素。同时，人类肿瘤图谱也有助于对于冷门肿瘤的特化治疗，扩大人们对于肿瘤的认识。人类肿瘤图谱的建立将深远影响肿瘤的机制研究、诊断过程、预后恢复、治疗检测、药物开发、生物标记物的发现，最终将促进精密医学时代的快速到来。另外，科学家们希望人类肿瘤图谱网络变成一项社区资源，为癌症患者了解、诊断、监测和治疗提供基础医疗方案。
人类的登月计划早在1969年就已经完成，而在那之前从未有人想过人类能够踏上月球表面。而现在，我们也对癌症治疗方面保持美好的愿景，希望癌症登月计划早日完成，为癌症治疗以及精准医学的更进一步提供更多可供参考的工具和数据，让我们的地球村变成可以治愈癌症的新世界！
参考文献
2. Srivastava, S., Ghosh, S., Kagan, J. & Mazurchuk, R. The Making of a PreCancer Atlas: Promises, Challenges, and Opportunities. Trends in cancer 4, 523-536, doi:10.1016/j.trecan.2018.06.007 (2018).
3. Iacobuzio-Donahue, C. A. et al. Cancer biology as revealed by the research autopsy. Nature reviews. Cancer 19, 686-697, doi:10.1038/s41568-019-0199-4 (2019).