Resolving the immune response across clonal cancer evolution in situ with Atera whole transcriptome profiling

ليس السرطان كتلة واحدة متجانسة من الخلايا، بل هو مشهد حي ومتغير، حيث تنمو مجموعات مختلفة من الخلايا، لكل منها تاريخها الجيني الفريد، جنباً إلى جنب. هذه المجموعات، التي تسمى "النسائل" (clones)، تتطور بمرور الوقت، وتتنافس على المساحة والموارد داخل الورم. ولفهم كيفية نمو الورم وكيف تحاول المناعة في الجسم محاربته، يحتاج العلماء إلى رؤية هذا المشهد بدقة عالية. لسنوات، استطاع الباحثون النظر إلى الجينات داخل الخلايا الفردية، لكنهم فقدوا الخريطة التي توضح مكان وجود تلك الخلايا في الأنسجة. وبدلاً من ذلك، كان بإمكانهم رؤية بنية الأنسجة، لكنهم اضطروا لتخمين التفاصيل الجينية للخلايا بداخلها. لقد كان الهدف طويلاً هو الجمع بين هاتين الرؤيتين: معرفة أي الخلايا هي جيران لبعضها البعض، وما هو تكوينها الجيني، وكيف تتفاعل، كل ذلك ضمن نفس قطعة النسيج.

تقدم دراسة جديدة من جامعة ستانفورد خطوة قوية نحو هذا الهدف من خلال اختبار تقنية متطورة تسمى "أتيرا" (Atera). تتيح هذه الأداة للعلماء قراءة دليل التعليمات الجيني الكامل لآلاف الخلايا الفردية مع الحفاظ عليها في مواقعها الأصلية داخل عينة النسيج. طبق الباحثون هذه التقنية على أنسجة ثدي بشرية متأثرة بـ "سرطان القنوات الموضعي" (ductal carcinoma in situ)، وهو شكل مبكر من سرطان الثدي حيث تكون الخلايا غير الطبيعية محتواة داخل القنوات اللبنية. وقارنوا "أتيرا" بتقنيتين موجودتين تعتمدان فقط على قائمة صغيرة ومختارة مسبقاً من الجينات. وأظهرت النتائج أن "أتيرا" يمكنها رؤية تفاصيل أكثر بكثير، حيث كشفت عن أنواع خلايا نادرة وتغيرات جينية دقيقة فاتتها الأدوات الأخرى. والأهم من ذلك، استخدم الفريق هذه الرؤية عالية الدقة لرسم شجرة العائلة لخلايا السرطان وتتبع كيفية تغير استجابة الجهاز المناعي مع تطور السرطان.

بدأ الباحثون بتحليل عينات الأنسجة من المرضى المصابين بسرطان القنوات الموضعي. واستخدموا ثلاث طرق مختلفة لفحص النسيج: أداتان راسختان تركزان على مجموعة محدودة من الجينات، ونظام "أتيرا" الجديد الذي يقرأ كل جين في الخلية تقريباً. وكان الفرق في ما يمكنهم رؤيته صارخاً؛ فبينما رصدت الأدوات القديمة بضعة آلاف من الرسائل الجينية لكل خلية، وجدت "أتيرا" أكثر من ثمانية وعشرين ضعفاً. هذا الارتفاع الهائل في التفاصيل يعني أن "أتيرا" يمكنها تحديد أنواع معينة من الخلايا التي لم تستطع الطرق الأخرى التمييز بينها ببساطة. فعلى سبيل المثال، وجدت خلايا مناعية نادرة تُعرف باسم "الخلايا الشجيرية" (dendritic cells)، والتي تعمل كحراس لنظام الدفاع في الجسم. وفي البيانات المستمدة من الأدوات القديمة، كانت هذه الخلايا النادرة غير مرئية، ولم يكن من الممكن تصنيف العديد من الخلايا المناعية بما يتجاوز فئة عامة. ومع ذلك، استطاعت "أتيرا" فرزها إلى مجموعات دقيقة، مما كشف عن بيئة مناعية أغنى وأكثر تعقيداً مما كان مفهوماً سابقاً.

مع هذه الخريطة المفصلة لأنواع الخلايا، وجه الفريق انتباهه إلى خلايا السرطان نفسها. أرادوا معرفة ما إذا كانت المجموعات المختلفة من خلايا السرطان متميزة جينياً وكيف ترتبط ببعضها البعض. ولأن نظام "أتيرا" يقرأ الكثير من الجينات، فقد تمكن من اكتشاف تغيرات طفيفة في عدد نسخ كروموسومات معينة، والمعروفة باسم "تغيرات عدد النسخ" (copy number variations). تعمل هذه التغيرات مثل البصمات الجينية؛ ومن خلال النظر في هذه البصمات، استطاع الباحثون فصل خلايا السرطان إلى أربع نسائل متميزة، لكل منها بصمتها الجينية الفريدة. ثم أعادوا بناء التاريخ التطوري للورم، موضحين كيف أدت خلية سرطانية أصلية واحدة إلى ظهور هذه الفروع المختلفة. أحد الفروع، الذي ظهر في مرحلة مبكرة، كان لديه مجموعة محددة من التغيرات الجينية، بينما اكتسبت الفروع اللاحقة تغيرات إضافية، مثل زيادة كبيرة في المادة الجينية على الكروموسوم 11. سمح هذا للعلماء برسم شجرة عائلة للسرطان، تظهر بالضبط كيف نما الورم وتنوع داخل عينة نسيجية واحدة.

وللتأكد من أن هذه النتائج حقيقية وليست مجرد نتاج تقني، أجرى الباحثون فحصاً صارماً. فقد أخذوا مقاطع فيزيائية من نفس كتلة الأنسجة المستخدمة في مسح "أتيرا" وقطعوا بعناية ستة عشر منطقة صغيرة من قنوات الورم. ثم قاموا بتسلسل الحمض النووي (DNA) من هذه المناطق مباشرة، وهي طريقة توفر حقيقة أرضية قاطعة. وكانت التغيرات الجينية التي وجدوها في الحمض النووي متوافقة للغاية مع الأنماط التي توقعها نظام "أتيرا"، حيث احتوت على نفس مجموعة التعديلات المستنتجة من النسخ المتماثل (transcriptome). أكد هذا أن التقنية الجديدة يمكنها إعادة بناء التاريخ التطوري للورم بدقة دون الحاجة إلى تدمير النسيج أو فقدان سياقه المكاني. وكانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها التحقق من خريطة دقيقة لعدد النسخ من أداة مكانية أحادية الخلية مقابل تسلسل الحمض النووي المباشر.

كانت القطعة الأخيرة من اللغز هي معرفة كيفية تفاعل الجهاز المناعي مع هذه النسائل السرطانية المتطورة. رسم الباحثون موقع الخلايا المناعية بالنسبة لنسائل السرطان المختلفة، واكتشفوا أن الاستجابة المناعية لم تكن موحدة عبر الورم. فمع تطور نسائل السرطان وأصبحت أكثر تقدماً، تغيرت البيئة المناعية المحيطة بها. وتحديداً، زادت نسبة "المحيط المناعي" (immune niche) المحيط بالقنوات الخاصة بالنسائل الأكثر تطوراً مقارنة بالنسائل المبكرة. يشير هذا إلى أنه مع نمو الورم وتغيره، فإنه يعيد تشكيل بيئته المحلية بنشاط، مما قد يؤدي إلى استقطاب أو تغيير الخلايا المناعية من حوله. أظهرت الدراسة أن هذه التفاعلات يمكن تتبعها في الفضاء الحقيقي، مما يكشف أن الاستجابة المناعية ديناميكية ومرتبطة ارتباطاً وثيقاً بالمرحلة الجينية المحددة لخلايا السرطان.

يضع هذا العمل معياراً جديداً لدراسة السرطان في بيئته الطبيعية. فمن خلال الجمع بين القدرة على قراءة الشفرة الجينية الكاملة للخلايا الفردية وقوة رؤية مكان تواجدها، يمكن للعلماء الآن مشاهدة دراما تطور السرطان بدقة عالية. تثبت الدراسة أنه من الممكن إعادة بناء شجرة عائلة الورم ومراقبة كيفية تفاعل دفاعات الجسم مع كل فرع من تلك الشجرة في آن واحد. ورغم أن هذه النتائج جاءت من نوع واحد من سرطان الثدي المبكر، إلا أن هذا النهج يوفر إطاراً موثقاً لفهم التفاعل المعقد بين جينات الورم والجهاز المناعي. وقد يساعد هذا المستوى من التفصيل الباحثين في النهاية على فهم سبب استجابة بعض الأورام للعلاج بينما لا تستجيب أخرى، وذلك من خلال الكشف عن المشاهد الجينية والمناعية المحددة التي تحدد طبيعتها.