长期三维球状体培养重塑非小细胞肺癌表观转录图谱并优化临床前药物筛选

《Clinical Epigenetics》：Progressive epigenomic remodeling in 3D lung cancer models reveals new therapeutic vulnerabilities

摘要

背景

非小细胞肺癌（NSCLC）的生存率较低，这主要是由于在临床前模型中难以对其进行复制，从而限制了有效治疗方法的发现。大多数临床前模型依赖于二维（2D）癌细胞培养，这种培养方法保留了肿瘤的某些基因组和功能特征。然而，这些系统缺乏三维（3D）肿瘤结构所特有的空间组织和微环境梯度，而这些因素会影响细胞行为和基因调控。像球状体这样的3D细胞培养模型可以提升临床前模型的预测能力。然而，从2D培养向3D培养转变过程中发生的转录组学和表观基因组学变化尚不清楚。

方法

我们优化了一种方案，可以实现NSCLC细胞系的长期（超过24天）3D球状体培养。我们使用批量RNA测序（bulk RNA-seq）、ChIP测序（ChIP-seq）和全基因组测序（WGBS）来研究随时间变化的转录组和表观基因组谱型。我们进行了单细胞RNA测序，以比较2D培养和3D培养与NSCLC患者样本之间的差异。我们还进行了药物筛选，以比较3D球状体和2D培养在药物敏感性方面的差异，并分析了它们在恢复到2D培养后的可塑性，包括单细胞转录组学和药理学水平。

结果

研究发现，3D球状体内的NSCLC细胞随着时间的推移经历了显著的表观基因组和转录组重塑。虽然DNA甲基化保持稳定，但我们观察到组蛋白H3和H4的甲基化和乙酰化状态发生了动态变化，这些变化与NSCLC中的情况相似。因此，经过24天3D培养后的单细胞转录组谱型与NSCLC患者肿瘤的谱型显著更一致。长期球状体培养提高了药物筛选的严格性，使得在许多临床前研究中表现有前景但在临床试验中失败的化合物（例如组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂）产生了抗性。我们还发现了新的药理学脆弱性以及药物间的协同作用（例如精氨酸甲基转移酶与HDAC抑制剂之间的相互作用）。值得注意的是，将长期3D球状体重新恢复为2D培养后，7天内其转录组、表观基因组和药理学特征就发生了逆转，这表明细胞培养条件能够影响临床前研究的结果。

结论

我们的研究结果强调了与短期球状体和2D培养相比，长期3D培养在改进临床前研究方面的价值。这种方法可以应用于其他癌细胞系，以促进临床前药物开发并最大化临床试验的效果。