Unveiling the cellular heterogeneity of cancer metastasis

Abstract

Technologies within single-cell omics have revolutionised our ability to explorecellular heterogeneity with remarkable precision. Encompassing a range ofmethods that can analyse the molecular characteristics of individual cells, single-cellomics promise to provide valuable insights into the DNA, RNA, and proteinlevels at a single-cell resolution. In particular, single-cell RNA-sequencing (scRNAseq)and spatial-omics stand out as pivotal tools providing insights into geneexpression profiles, transcriptional states, and the spatial organisation of cancercells, thereby providing leverage to reveal the cellular heterogeneity of cancercells and the tumour microenvironment (TME). Especially in the context of cancermetastasis, which remains a therapeutic enigma, the use of scRNA-seq andspatial-omics can be used to delineate the complex cellular landscapes oftumours and identify the interactions within the TME, providing crucial informationfor developing targeted therapies and improving patient outcomes. In Paper I, we investigate clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) using scRNA-seqto analyse primary tumours and their metastatic counterparts. A distincttranscriptional signature was identified in tumour cells that predicts metastaticpotential and patient survival and highlights the role of the TME, particularlyvascular remodelling and an immunosuppressive microenvironment in promotingmetastasis. Finally, we highlight potential therapeutic targets, such as theCXCL9/CXCL10-CXCR3 and CD70-CD27 axes, as potential targets for treatments. In Paper II, building on the insights of Paper I, we use scRNA-seq to analyse theTME of primary and bone metastatic ccRCC with a unique comparison to the tumourinvolved-, benign- and healthy- bone marrow. Our findings highlight a populationof tumour-associated mesenchymal stromal cells promoting epithelial-tomesenchymaltransition and bone remodelling as well as an immunosuppressivemicroenvironment with exhausted CD8+ T cells and tumour-associatedmacrophages that aids the metastatic process to bone. Finally, we show thattumour-associated mesenchymal cells exert their effects on bone remodelling viathe RANK/RANKL/OPG signalling pathway, crucial for regulating bone resorptionand remodelling in metastatic sites and suggest the pathway as a therapeutictarget. In Paper III, we investigated spatially resolved chromosomal aberrations in high-riskneuroblastoma (NB) patient samples and cell lines using spatial omics. Wedescribe the tumour clonal landscape in patient samples and the evolutionarytrajectories of cells in response to chemotherapy in NB cell lines. We reveal thattargeting both proliferation and DNA damage response pathways via acombination treatment with doxorubicin, gemcitabine, and an ATM inhibitor, caneffectively reduce tumour growth and inhibit regrowth both in vitro and in vivo,highlighting the importance of addressing genetic and phenotypic heterogeneityin NB. Overall, this thesis provides novel insights into the intricate cellular landscape ofprimary and metastatic tumours as well as their surrounding microenvironments,revealing potential culprits of the metastatic process. Using high-resolutionsingle-cell omics technologies, we enable the identification of key therapeutictargets and the development of more effective, personalised treatment strategiesto combat cancer metastasis.

Οι τεχνολογίες της μοριακής ανάλυσης σε επίπεδο μονοκυττάρων έχουν φέρει επανάσταση στην ικανότητά μας να εξερευνούμε την κυτταρική ετερογένεια με αξιοσημείωτη ακρίβεια. Περιλαμβάνοντας μια σειρά μεθόδων που μπορούν να αναλύσουν τα μοριακά χαρακτηριστικά μεμονωμένων κυττάρων, οι τεχνολογίες μονοκυτταρικής ανάλυσης υπόσχονται να παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τα επίπεδα DNA, RNA και πρωτεϊνών σε μονοκυτταρική ανάλυση. Ειδικότερα, η αλληλούχιση RNA μονοκυττάρων (scRNA-seq) και οι τεχνολογίες χωρικής ανάλυσης (spatial-omics) ξεχωρίζουν ως καθοριστικά εργαλεία που παρέχουν πληροφορίες για τα προφίλ γονιδιακής έκφρασης, τις μεταγραφικές καταστάσεις και την χωρική οργάνωση των καρκινικών κυττάρων, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα να αποκαλυφθεί η κυτταρική ετερογένεια των καρκινικών κυττάρων και το μικροπεριβάλλον του όγκου (TME). ​ Ειδικά στο πλαίσιο της μετάστασης του καρκίνου, που παραμένει θεραπευτικό αίνιγμα, η χρήση των scRNA-seq και spatial-omics μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση των σύνθετων κυτταρικών τοπίων των όγκων και την αναγνώριση των αλληλεπιδράσεων εντός του TME, παρέχοντας κρίσιμες πληροφορίες για την ανάπτυξη στοχευμένων θεραπειών και τη βελτίωση των αποτελεσμάτων για τους ασθενείς. Στην πρώτη μελέτη, διερευνάται το διαυγοκυτταρικό νεφρικό καρκίνομα καρκίνωμα (ccRCC) χρησιμοποιώντας scRNA-seq για την ανάλυση πρωτογενών όγκων και των μεταστατικών τους αντίστοιχων. ​ Εντοπίστηκε μια διακριτή μεταγραφική υπογραφή στα καρκινικά κύτταρα που προβλέπει τη μεταστατική δυνατότητα και την επιβίωση των ασθενών, ενώ υπογραμμίζεται ο ρόλος του TME, ιδιαίτερα της αναδιαμόρφωσης των αγγείων και του ανοσοκατασταλτικού μικροπεριβάλλοντος στην προώθηση της μετάστασης. Τέλος, επισημαίνονται πιθανοί θεραπευτικοί στόχοι, όπως οι άξονες CXCL9/CXCL10-CXCR3 και CD70-CD27, ως πιθανοί στόχοι για θεραπείες. ​Στην δεέτερη μελέτη, βασιζόμενοι στα ευρήματα της πρώτης μελέτης, χρησιμοποιούμε scRNA-seq για να αναλύσουμε το TME του πρωτογενούς και των οστικών μεταστάσεων του ccRCC με μοναδική σύγκριση μεταξύ του όγκου, του καλοήθους και του υγιούς μυελού των οστών. ​ Τα ευρήματά μας αναδεικνύουν έναν πληθυσμό μεσεγχυματικών στρωματικών κυττάρων που προάγουν τη μετάβαση από το επιθηλιακό στο μεσεγχυματικό στάδιο και την αναδιαμόρφωση των οστών, καθώς και ένα ανοσοκατασταλτικό μικροπεριβάλλον με εξαντλημένα CD8+ T κύτταρα και μακροφάγα που σχετίζονται με τον όγκο, τα οποία βοηθούν τη μεταστατική διαδικασία στα οστά. Τέλος, δείχνουμε ότι τα μεσεγχυματικά κύτταρα που σχετίζονται με τον όγκο ασκούν τις επιδράσεις τους στην αναδιαμόρφωση των οστών μέσω του άξονα σηματοδότησης RANK/RANKL/OPG, που είναι κρίσιμος για τη ρύθμιση της απορρόφησης και της αναδιαμόρφωσης των οστών στις μεταστατικές θέσεις και προτείνουμε τον άξονα ως θεραπευτικό στόχο. ​Στην τρίτη μελέτη, διερευνήσαμε τις χωρικά καθορισμένες χρωμοσωμικές ανωμαλίες σε δείγματα ασθενών με υψηλού κινδύνου νευροβλάστωμα (NB) και κυτταρικές σειρές χρησιμοποιώντας spatial omics. ​ Περιγράφουμε το κλωνικό τοπίο του όγκου σε δείγματα ασθενών και τις εξελικτικές τροχιές των κυττάρων σε απόκριση στη χημειοθεραπεία. Χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες, δείχνουμε ότι ο συνδυασμός θεραπειών που στοχεύουν την ανάπτυξη των κυττάρων και την επιδιόρθωση του DNA μπορεί να στοχεύσει αποτελεσματικά αυτά τα καρκινικά κύτταρα του όγκου και να αποτρέψει την επανεμφάνισή τους. Συνοψίζοντας, οι τεχνολογίες μονοκυτταρικής ανάλυσης μεταμορφώνουν την κατανόησή μας για τη μετάσταση του καρκίνου, επιτρέποντας τη μελέτη μεμονωμένων κυττάρων με απίστευτη λεπτομέρεια. Αυτά τα προηγμένα εργαλεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αποκαλύψουν πώς τα καρκινικά κύτταρα συμπεριφέρονται, αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους και εξαπλώνονται σε άλλα μέρη του σώματος. Αποκαλύπτοντας τα μοναδικά χαρακτηριστικά κάθε καρκινικού κυττάρου και του περιβάλλοντός του, οι τεχνολογίες μονοκυτταρικής ανάλυσης παρέχουν σημαντικές πληροφορίες που μπορούν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών, εξατομικευμένων θεραπειών. Αυτή η προσέγγιση έχει μεγάλες προοπτικές για τη βελτίωση των αποτελεσμάτων των ασθενών με μεταστατικό καρκίνο, προσφέροντας νέα ελπίδα στον αγώνα κατά αυτών των δύσκολων ασθενειών.