小细胞肺癌类器官模型揭示小细胞肺癌中亚型特异性脆弱性

小细胞肺癌(SCLC)是一种致命性疾病，治疗进展有限，患者的5年生存率不到10%。大多数患者在初诊时已不可手术，限制了治愈性外科手术选择。尽管一线治疗(包括化疗和免疫检查点抑制剂)在延长广泛期SCLC患者生存方面显示一定疗效，但总体生存期仍然很短。最近的临床试验(如IMpower133和CASPIAN)联合化疗和免疫检查点抑制剂治疗广泛期SCLC的中位总生存期仅约12个月。大多数靶向治疗的临床试验，如PARP抑制剂和DLL3靶向抗体-药物偶联物，未能证明其在SCLC中的疗效。这些挫折可归因于缺乏可靶向分子和预测治疗反应的生物标志物。

近年来，基于特定转录因子的表达，SCLC被分为四种分子亚型：ASCL1、NEUROD1、POU2F3和YAP1亚型，可大致分为神经内分泌型(NE)SCLC(ASCL1和NEUROD1亚型)和非神经内分泌型(非NE)SCLC(YAP1和POU2F3亚型)。尽管这四种亚型在后续研究中得到一致确认，但特定亚型与治疗反应之间的关联仍不明确。目前SCLC治疗进展的滞后需要在基础和临床前阶段对SCLC生物学的更深入理解，但缺乏能够真实反映临床表型的人源SCLC模型阻碍了转化研究和高效药物筛选。

近期，发表在Nature Cancer期刊上的一篇题为An organoid library unveils subtype-specific IGF-1 dependency via a YAP–AP1 axis in human small cell lung cancer的研究论文建立了涵盖所有四种转录因子亚型的患者来源SCLC类器官库，并进行了全面的分子和表型分析。通过SCLC类器官的表型映射，研究突出了IGF1R-AP1-YAP1轴作为YAP1亚型SCLC的关键驱动因素，表明IGF-1受体靶向治疗的潜力。这些发现为未来SCLC分子亚型特异性治疗的应用铺平了道路。

图示描述

1，患者来源SCLC类器官库的建立与分子特征。研究团队成功建立了40株人源SCLC类器官系列，这些类器官来自33名患者的多种临床样本，包括手术标本、尸检样本、支气管镜活检、痰液、胸腔积液、心包积液和循环肿瘤细胞。所有建立的系列都进行了超过6个月的长期培养。所建立的SCLC类器官展示了多种结构变形，表现为球形、腺体型和梭形形态。F-actin和integrin-α6的免疫染色显示SCLC类器官中顶-底极性的丧失。研究显示类器官和类器官衍生的异种移植物重现了原始SCLC组织的病理特征，表现为具有稀少细胞质和染色深的细胞核的多形性小圆细胞簇。免疫组织化学证实原始组织、类器官和异种移植瘤之间保留了神经内分泌标记物(如synaptophysin、CD56和chromogranin A)的表达模式。

2，SCLC类器官的基因变异和融合基因。全外显子组和转录组分析显示，与SCLC基因组学一致，大多数SCLC类器官携带TP53和RB1的基因突变或拷贝数缺失。特别是，在七个RB1完整的类器官系列中，有四个具有CDKN2A改变，提示在SCLC发展中涉及G1细胞周期检查点的缺陷。突变谱系分析显示大多数病例中与烟草相关的特征(SBS4)，但14个系列缺乏烟草相关特征。研究还发现两个融合基因：SCLC03中的DENND2A-BRAF和SCLC05中的UBE4B-PIK3CD。这些融合基因分别含有BRAF和PIK3CD的激酶结构域，表明其通过组成性激活产生潜在的增殖效应。针对这些融合基因的小分子抑制剂(如泛-RAF抑制剂LY3009120和AKT抑制剂AZD5363)有效抑制了相应类器官的生长。

图 1 人源小细胞肺癌类器官库的建立

3，SCLC类器官的转录亚型分析。基于4个转录因子(ASCL1、NEUROD1、POU2F3和YAP1)的表达，研究证实了类器官库中存在四种分子亚型。一些SCLC类器官系列表现出多个转录因子的杂交表达，这种情况下亚型分配基于免疫反应性最高的转录因子。类器官的转录因子亚型与亲本肿瘤的亚型基本一致，表明在类器官派生和培养过程中保留了转录因子特性。研究注意到，与之前报道相比，YAP1亚型SCLC类器官在本研究队列中的比例较高，表明YAP1亚型可能比其他亚型更有效地产生类器官。共识聚类将SCLC类器官分为两组：一组包括ASCL1和NEUROD1亚型SCLC，另一组包括YAP1和POU2F3亚型SCLC。作者将这两个集群分别称为神经内分泌型(NE)SCLC和非神经内分泌型(非NE)SCLC。一致地，NE型SCLC类器官比非NE型SCLC类器官表达更高水平的神经内分泌基因，如NCAM1和INSM1。POU2F3亚型SCLC表达C11orf53，一种POU2F3的共激活剂。YAP1亚型SCLC类器官高表达YAP1及其靶基因CYR61、ANKRD1和LATS2。与NE型SCLC相比，非NE型SCLC中有皮肤和表皮相关基因的富集，表明非NE型SCLC中存在气道样基因特征模式。

4，SCLC类器官揭示亚型特异性IGF-1依赖性。为了确定SCLC中的潜在药物靶点，研究团队测试了SCLC类器官对生态因子剥夺的反应。SCLC类器官主要依赖于BMP抑制剂Noggin，但传播不依赖于Wnt，无论其4-TF分子亚型如何。非NE型SCLC类器官对PI3K和MAPK激活生态因子，特别是EGF、IGF-1和FGF-2有严格要求，进一步分析表明非NE型SCLC(不是NE型SCLC)类器官对IGF-1具有独特依赖性。流式细胞术和磷酸化受体酪氨酸激酶阵列分析显示，与NE型SCLC类器官相比，非NE型SCLC类器官IGF1R的蛋白表达和磷酸化增加。这些数据表明IGF1R的异位表达和激活是非NE型SCLC亚型的特征。对患者来源的临床组织评估也证实，非NE型SCLC组织均表达IGF1R，而约半数NE型SCLC病例失去了IGF1R表达。

图 2 小细胞肺癌(SCLC)类器官的基因改变

5，IGF1R-FAK-YAP1和IGF1R-AKT-AP1轴驱动YAP1型SCLC。研究进一步探讨了非NE型SCLC类器官中IGF-1-IGF1R依赖性的潜在机制。IGF-1刺激增加了非NE型SCLC类器官中IGF1R、AKT和ERK的磷酸化水平，但对NE型SCLC类器官无效。IGF1R抑制剂林西替尼消除了AKT和ERK的磷酸化，证明它们在IGF1R下游激活。ATAC-seq分析揭示了非NE型SCLC类器官中AP1的富集。在AP1家族成员中，FOSL1表达在非NE型SCLC类器官中明显高于NE型SCLC类器官。AKT抑制剂AZD5363处理降低了非NE型SCLC类器官中FOSL1的表达，表明IGF1R-AKT依赖性激活FOSL1。YAP1亚型SCLC类器官和临床组织中观察到FOSL1的核表达。AP1抑制剂SR11302抑制了YAP1亚型SCLC而非ASCL1亚型类器官的增殖，表明IGF1R-AKT-AP1轴驱动YAP1亚型SCLC的增殖。此外，YAP1亚型SCLC类器官在没有IGF-1时缺乏核YAP1表达，而IGF-1处理诱导强烈的YAP1核转位及YAP1靶基因CYR61的上调。IGF-1处理还诱导了YAP1激活剂FAK的磷酸化。FAK抑制剂defactinib阻断了YAP1核转位并下调YAP1靶基因的表达，表明IGF-1通过FAK磷酸化激活YAP信号。使用诱导性shRNA系统同时敲低YAP1及其同源物TAZ阻碍了YAP1亚型SCLC类器官的增殖，而对ASCL1亚型SCLC类器官的影响较小，表明YAP1亚型肿瘤对YAP1激活的依赖性。这些发现表明IGF-1-IGF1R协调激活AKT-AP1和FAK-YAP1信号通路，共同促进YAP1亚型SCLC的增殖。

6，YAP1和POU2F3型SCLC对IGF1R抑制敏感。鉴于IGF-1和IGF1R介导的AKT-AP1和FAK-YAP1信号在YAP1亚型SCLC生长中的关键作用，研究团队探索了IGF1R阻断的治疗潜力。对IGF1R抑制剂的多剂量测试(linsitinib和NVP-ADW742)表明非NE型SCLC类器官比NE型SCLC类器官对IGF1R抑制更敏感。无论POU2F3还是YAP1亚型，非NE型SCLC细胞系对IGF1R抑制剂也表现出敏感性。在体内使用类器官-异种移植模型评估IGF1R拮抗作用的治疗效果时，研究发现linsitinib抑制了YAP1亚型SCLC异种移植物而非ASCL1亚型SCLC的生长。Linsitinib处理的移植物表现出核YAP1表达减少。将linsitinib与SCLC常用化疗药物顺铂联合使用，在两株YAP1亚型SCLC系的异种移植物中表现出比初始大小更小的肿瘤减少效果。联合治疗在一个异种移植系(SCLC23)中的治疗效果优于单药治疗。这些发现表明YAP1亚型反映了IGF-1诱导的YAP1激活，并可能作为预测IGF1R靶向治疗敏感性的生物标志物。

图 3 小细胞肺癌(SCLC)类器官的转录组和表观基因组特征分析

全文总结

该研究建立的患者来源SCLC类器官库不仅为SCLC研究提供了宝贵资源，还阐明了亚型特异性对靶向治疗的脆弱性。尤其是，该研究确定了IGF-1依赖性作为YAP1亚型SCLC的独特脆弱性。通过前瞻性基因工程实验，研究证明了TP53和RB1敲除可将肺泡上皮细胞的生态因子偏好从EGF转向IGF-1，这一过程伴随着部分获取气道和神经内分泌表型。这些发现加深了我们对特定SCLC亚型微进化路径的理解。