Внутриопухолевая гетерогенность и пластичность клеточных состояний вносят ключевой вклад в развитие резистентности к терапии: сосуществующие популяции опухолевых клеток демонстрируют непересекающиеся профили чувствительности к препаратам и различные ответы на лечение. Разработка комбинированной терапии требует идентификации уязвимостей персистирующих после лечения популяций и измерения специфичных для клеточных состояний эффектов препаратов, которые маскируются при оценке общего ответа опухоли.

Исследователи установили платформу анализа одноклеточных регуляторных сетей с использованием ARACNe/VIPER и OncoTarget/OncoTreat для идентификации комбинаций, направленных на зависимости от Master Regulator (MR) комплементарных клеточных состояний. Ранее в диффузной глиоме среднего мозга (DMG) предсказанные комбинации улучшали выживаемость in vivo.

В настоящей работе этот подход расширен на остеосаркому — геномно сложную опухоль кости с немногочисленными действенными альтерациями, чтобы воздействовать на негенетические механизмы персистенции после лечения, способствующие рецидиву и метастатической прогрессии.

VIPER-анализ активности белков по данным scRNA-seq 17 опухолей остеосаркомы пациентов выявил четыре MR-определяемых состояния с различными предсказанными уязвимостями, сосуществующих почти во всех опухолях:

• Пролиферативное остеохондропрогениторное состояние
• Остеогенное состояние с сигналингом Notch/Hedgehog/TGFβ
• Инвазивное периваскулярное мезенхимальное состояние
• Хондрогенное состояние с программами пластичности, ассоциированными с гипоксией, воспалением и развитием, которое было обогащено в опухолях после химиотерапии

Для прямой оценки этого ремоделирования выполнено snRNA-seq 48 опухолей (>600 000 клеток; n=4/условие) в четырех моделях PDX остеосаркомы без предшествующего лечения, охватывающих клинический спектр ответов на MAP-терапию, после введения носителя, цисплатина/доксорубицина или MAP (метотрексат/доксорубицин/цисплатин).

Опухоли PDX воспроизвели состояния, выявленные у пациентов, и глобальный паттерн истощения пролиферативных популяций и экспансии хондрогенных после MAP-терапии.

Сравнения внутри моделей дополнительно выявили различные ответы на лечение, параллельные клиническому поведению:

• Экспансия пролиферативных клеток в модели от пациента с плохим ответом и ранней прогрессией (внутренняя резистентность)
• Обогащение хондрогенными клетками в двух моделях от пациентов с ранним метастатическим рецидивом (персистенция после лечения)
• Истощение пролиферативных клеток без экспансии хондрогенных в модели от пациента с длительной выживаемостью

Исследователи оценили препараты, предсказанные для инверсии MR-активности индивидуальных состояний, в независимой PDX-модели остеосаркомы, рефрактерной к MAP.

Монотерапия не улучшила объем опухоли или выживаемость, однако одноклеточное профилирование подтвердило их предсказанные комплементарные специфичные для состояний эффекты:

• Ифосфамид истощал пролиферативные/остеогенные популяции, одновременно обогащая мезенхимальные/хондрогенные состояния
• Dinaciclib и valemetostat селективно истощали репликативную популяцию, связывающую пролиферативное и хондрогенное состояния, ограничивая хондрогенную адаптацию и номинируя комбинации для дальнейшего изучения

Консервативные регуляторные состояния остеосаркомы с различными уязвимостями динамически перестраиваются под действием лечения, и одноклеточное профилирование выявляет эффекты препаратов, не обнаруживаемые при оценке общей эффективности.

Интеграция лонгитудинального профилирования с номинацией препаратов на основе Master Regulator может идентифицировать рекуррентные механизмы резистентности и информировать комбинированные стратегии, направляемые эволюцией опухоли, а также дизайн клинических исследований.