条文本
摘要
客观的Barrett食管表现为“肠化生”,其结构称为“隐窝”,但通常不显示隐窝结构。在这里,我们研究了它们与胃腺的关系。
方法通过Ki67和碘脱氧尿苷(IdU)标记评估Barrett腺体内的细胞增殖和迁移。黏蛋白核心蛋白(MUC)、三叶草家族因子(TFF)多肽的表达LGR5就通过免疫组化或原位杂交检测mRNA,通过线粒体DNA (mtDNA)突变结合粘蛋白组化鉴定克隆性。
结果增殖主要发生在Barrett腺的中部,向表面和基部递减:IdU动态表现为双向迁移,类似于胃腺。MUC5AC、TFF1、MUC6和TFF2在Barrett的分布反映幽门腺,并在Barrett发育不良中保留。muc2阳性杯状细胞位于颈部上方Barrett腺体,TFF3集中在同一区域。LGR5就在Barrett腺体中部检测到mRNA,提示该部位存在干细胞生态位,与胃幽门相似,与胃肠化生不同。巴雷特氏腺内的胃和肠细胞系是克隆的,表明来源于单个干细胞。
结论Barrett's显示了增殖和干细胞结构,以及幽门胃腺的基因表达模式,由显示胃和肠道分化的干细胞维持:中性漂移可能表明肠道分化随着时间的推移而推进,这是理解Barrett's食管起源和发展的关键概念。
- 巴雷特食管
- 基因表达
- 干细胞
- 三叶草的因素
- 黏蛋白
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本研究的意义
关于这个问题我们已经知道了什么?
巴雷特腺体是千变万化的,含有广泛分化的细胞谱系。
巴雷特氏腺是克隆的,含有多种多功能干细胞。
教条指出巴雷特氏病是一种鳞状食管化生。
新的发现是什么?
巴雷特腺的基因表达和增殖性区室反映了幽门腺,幽门腺也表现出双向迁移,如胃腺所见。
干细胞区位于巴雷特腺的颈部,类似于幽门腺:巴雷特腺内的胃和肠细胞谱系显示出共同的干细胞来源。
“专门的”胃腺类似幽门腺,显示部分肠化。
胃腺结构和组织保持不典型增生。
在可预见的未来,它会对临床实践产生怎样的影响?
胃食管反流病患者胃心的内镜和病理检查可能需要更加严格。
需要更多的研究来确定腺表型作为Barrett患者发育不良进展的生物标志物。
任何关于巴雷特食管起源和发展的统一建议都应该解释它们与幽门腺的相似之处。
简介
巴雷特食道仍然是一个谜,关于它的起源没有定论,1- - - - - -3.巴雷特粘膜上皮的性质存在争议,4,5但关于哪种上皮成分会发展成癌症仍存在争议。Barrett食管的诊断通常需要肠化生(或“特化上皮”),其中有丰富的杯状细胞2导致巴雷特粘膜被认为是“肠化生”,粘膜单位是“隐窝”,类似于肠的隐窝。然而,巴雷特食管的表型是千变万化的细胞系的包含多种细胞系的即使在“特化上皮细胞”中,也有多个细胞系:柱状细胞类似于含有MUC1、MUC5AC的胃凹细胞,粘液分泌细胞表达胃上皮细胞特有的muc6 -粘蛋白核心蛋白,6,7杯状细胞,肠上皮中可见MUC2和muc3。8因此,巴雷特食管所谓的“特化上皮”,通常与肠化生相比,显示了证据胃谱系分化以及肠道分化。
巴雷特粘膜包含几种不同类型的腺体等,9通过绘制几种表型的分布,报告了一种带状分布在不同类型的粘膜中,在特化柱状上皮和食管下括约肌之间有含氧型腺体和顶细胞、主细胞或含氧型心脏腺。这种“分区”已经被复制,尽管有一些报道10,11发现不同的表型随机分布在巴雷特粘膜。杯状细胞密度呈梯度,远端巴雷特节段可见明显较低的数量,10与食管腔内pH梯度相关11心脏黏膜遍及整个节段,氧-心黏膜多见于远端。9,10会等,10据报道,远端Barrett节段的心脏和氧-心黏膜频率较高,在任何一个解剖水平上都有几种不同的粘膜表型,尽管在所有水平上都发现了“特化”上皮。腺体显示肠化,类似于“完全型”(I型)肠化生,其特征是吸收细胞、潘氏细胞和杯状细胞的存在。10因此,巴雷特食管包含多种谱系和具有几种表型的腺体。
人的肠隐窝和胃腺是克隆种群-来源于单一组织特异性干细胞。12这些克隆隐窝和腺体含有多种、多能的干细胞,所有包含的谱系都来自这些干细胞:使用导致细胞色素的线粒体DNA (mtDNA)突变的研究c氧化酶(CCO)缺陷作为克隆标记,显示巴雷特化生腺体是由多个干细胞维持的克隆单位,并且腺体内的所有上皮细胞系来源于多能干细胞。13因此,无论巴雷特腺有多么复杂,无论它包含了多么不同的细胞系,它都是从那里衍生出来的单个干细胞和原始干细胞的后代具有足够的多能性来维持其多谱系习性.
巴雷特腺体显示胃和肠分化模式的证据:如果这种腺体是克隆的,干细胞将显示分化为胃和肠细胞谱系的能力。我们证明了专业巴雷特腺在腺体中部增殖最大,细胞双向迁移,干细胞生态位位于腺体中部,类似于胃腺而不是肠隐窝。区域特异性基因表达支持胃腺计划,我们提出巴雷特氏腺是由具有胃和肠分化能力的干细胞维持的,这些干细胞随着时间的推移发展为肠型。
材料与方法
组织:福尔马林固定、石蜡包埋存档的非发育不良Barrett食管和Barrett发育不良组织标本及冷冻标本取自因腺癌或发育不良而行食管切除术或内镜黏膜切除术的患者(n=34)。正常的胃和肠化生福尔马林固定,石蜡包埋标本来自于胃癌或高度发育不良的切除患者(n=23)。至少由两名合格的病理学家(RH、MR-J、MRN、NS或NAW)进行标准H&E染色和定期酸性希夫/阿利新蓝染色后的组织学检查。从伦敦研究伦理委员会(Stanmore11/LO/1613)寻求并获得伦理批准。
免疫组织化学(包含IHC)采用在线补充方法中描述的方法进行。对Barrett腺体内Ki67+和IdU+细胞的数量进行评分,方法如下:每个患者的两个组织切片,每个切片对大约100个细胞的三个区域进行评分。对于细胞计数,腺体被划分为三个相等的区域:底部的三分之一被指定为腺基,对应于Muc6+/三叶草家族因子2 (TFF2)+粘液分泌区,剩下的上三分之二的腺体被平均划分,分别被指定为腺的中间区域和表面(在图中突出)图1一个)。
原位杂交(ISH)采用在线补充方法中描述的方法进行。
碘脱氧尿苷(IdU)标记的临床方案肿瘤组织干细胞评估(SAINT)试验(n=4例患者)获得了莱斯特郡伦理委员会编号:09122,药物卫生监管局编号:CTA 21275和研究伦理委员会编号:7213的批准。14食管癌Barrett腺癌患者在食管癌切除术前接受IdU输注,详细信息在在线补充方法中给出。
激光捕获显微解剖和PCR测序MtDNA:这是使用在线补充方法中描述的方法进行的。
结果
巴雷特腺体中的增殖组织
Ki67+细胞集中在巴雷特腺中部,腺表面增殖细胞较少,基部增殖细胞较少,极基底细胞无增殖(图1A,并在线补充图S1)。这种表达模式在所有研究患者中都是一致的。在所有患者中,大部分Ki67+细胞分布在腺体中部(占细胞总数的54.5%)。在这些患者中,中间区域Ki67+细胞的百分比明显高于腺体基部和腺体表面(Kruskal-Wallis单因素方差分析,p<0.05)。
巴雷特腺细胞迁移
注射后7天,在腺体基部和中部以及表面均可见到IdU+细胞(图1B),聚集在这些腺体节段。在第11天,在腺体基部、中间和腺体表面都能看到IdU+细胞,但与第7天相比,IdU+细胞的数量减少了,大部分阳性细胞分布在腺体基部(图1B)表明表面的标记细胞已经迅速流失到腔内,只有少数仍在迁移,但向基底迁移的速度较慢。注射后29天,IdU+细胞仍然明显,尽管与11天相比大大减少,并且几乎只在腺体基部可见,注射后67天仍有少量细胞明显1.4
IdU+细胞在Barrett腺体内随时间的分布被定量,如上所述:图1C为注射IdU后巴雷特腺内IdU+细胞随时间的分布。7天后,在腺体表面观察到4.45%的IdU+细胞,尽管在中间区域仍有大量标记细胞(3.65%)。然而,腺基内IdU+细胞较少(1.74%)。11天后,在腺体表面仍然观察到IdU+细胞,尽管其比例显著减少,现在占总细胞的0.07%。巴雷特腺基部的比例最高(1.36%)。追踪29天后,IdU+细胞数量较11天显著减少,且仅在Barrett's腺基底内观察到(占总细胞的0.181%)。此外,在67天的追逐后,数量再次减少:此时只在腺体基部看到IdU+细胞(0.07%)。
结合Ki67标记指数分布,表明巴雷特腺底部含有少量标记细胞(见在线补充图S1),由于最大的细胞增殖出现在腺体中部,细胞更快地向腺体表面或小凹部迁移,并缓慢地进入腺体底部。巴雷特腺中的标记细胞显示出来双向流量.
在体胃腺中,每个患者的一个组织切片和胃单元每个区域(凹窝或坑、峡部/颈部和腺体基底)的三个超过100个细胞的区域,并在每张幻灯片上进行评分。在线补充图S2A,B显示Ki67标记细胞主要出现在胃单位的颈部/峡部区域(占细胞总数的15.2%),很少在凹内观察到Ki67+细胞(9.5%),1.5%在腺基底。类似的分布显示在胃窦粘膜(见在线补充图S2B)。7天后,观察到的IdU+细胞百分比最高的是在凹区(3.3%)(见在线补充图S2C,D),而在11天后,观察到的细胞百分比最高的是在颈部(0.27%)(见在线补充图S2E,F)。在注射后7天,颈部和小凹区域内的IdU+细胞显著减少,提示细胞通量主要发生在小凹区域,因为注射后7天,大多数IdU+细胞都出现在该区域。大多数细胞在11天后消失在腔内,但一些细胞仍保留在腺体的颈部区域。然而,注射IdU后67天,胃腺底部出现了IdU标记的壁细胞14.
巴雷特氏腺的细胞通量是双向的,类似于胃腺。
巴雷特腺体中的干细胞壁龛
在本实验中,干细胞被ISH鉴定为已建立的胃肠道上皮干细胞标记物LGR5。15图2显示表达细胞的分布LGR5就Barrett's腺(A, B)、幽门腺(C, D)和胃肠化生隐窝(C, F)中的mRNA表达。图中代表n=5。在幽门腺(图2C, D)LGR5就mRNA广泛分布于腺体的峡部/颈部区域,而腺的凹窝和粘液素分泌基为阴性。在巴雷特的腺体里(图2A、B)LGR5就mRNA位于幽门腺的中部,相当于幽门腺的峡部/凹部。图2E和F表示在胃的肠化生中,LGR5就mRNA位于隐窝的底部,类似于结肠隐窝(见在线补充图S3)。
巴雷特食管的干细胞龛位于腺的中部,相当于幽门腺的峡部/凹处,如幽门胃腺所示。在胃肠化生中,干细胞生态位位于隐窝的底部,与结肠相当。
巴雷特腺体的基因表达
图4Ai显示,适当切片的巴雷特腺看起来细长而优雅,有一个单一的表面开口或中央凹,大约一半的腺体分为许多基底小管,类似于胃腺的分布。12腺体上部有柱状细胞,用D/PAS和阿利新蓝染色,也有大量嗜酸性、含唾液酸蛋白的杯状细胞和非杯状细胞。腺体基部有一个大小不一的区域,只含有D/PAS+黏液细胞。腺体的增殖区(Ki67+)在此区域上方,延伸至腺体上部(图4(Aii),与胃腺(图4哎)。
在巴雷特腺和幽门腺中,MUC5AC仅可见于腺的上部,其强度随干细胞区而减弱,如图所示LGR5就mRNA的表达,达到(图4Aiv和Bi)。MUC6在巴雷特和幽门腺的表达局限于腺底部的黏液细胞LGR5就mRNA区(图4MUC2在巴雷特腺上部紧密分布,集中但不局限于杯状细胞,向LGR5区表达减少,并且在MUC6+碱基中不存在(图4出)。幽门上皮中MUC2缺失(见在线补充图S5A)。TFF1蛋白和mRNA位于Barrett's腺和幽门腺上部,与MUC5AC共表达(图4分别为Ci, ii和iii,见在线补充图S5B)。TFF2主要局限于Barrett's和幽门腺底部的MUC6+细胞(图4Civ, Di和ii,分别见在线补充图S5C)。TFF2mRNA也低浓度地存在于相当于Barrett腺体的小凹区(图4Di,箭头)。TFF3蛋白在整个巴雷特腺中表达,集中在腺上部的杯状细胞(图4Diii),经分布确认TFF3信使rna (图4Div)。除非存在肠化生,否则幽门黏膜中不存在TFF3(见在线补充图5Di和ii)。总共使用了15例Barrett化生患者和15例胃腺癌患者切除边缘外的正常胃。在所有样品中观察到所有描述的结果。
在胃窦或幽门黏膜的基因表达模式因此反映在巴雷特腺。
巴雷特发育不良的细胞增殖和基因表达
图5示Ki67+细胞、粘蛋白核心蛋白和TFFs在低度Barrett's发育不良中的分布(图5A H&E):增殖组织反映了Barrett腺体,因此,在胃腺中,腺体底部保留了非增殖性MUC6+/TFF2+细胞。图5B显示Ki67表达指示的增殖区向腺体顶部扩展,而碱基基本保持不增殖。MUC2存在于腺体的中部和顶部(图5C)和MUC5AC在腺体表面和中间(图5D):基底TFF2+/MUC6+粘膜区被保留(图5E和F)。LGR5就MUC6+/TFF2+细胞上方仍可见mRNA+细胞,但该区域向表面扩张(图6Ai-Cii)。这些数据代表了15个巴雷特发育不良的标本。在巴雷特氏癌(图6Di和ii)LGR5就mRNA显示恶性腺体底部有特异性定位(n=5)。
胃肠化生(IM)基因表达
在胃肠化生中,特别是在所谓的“混合型”中,存在着胃肠黏蛋白的表达。16类似地,在部分肠化的胃腺中,ttf的分布遵循在Barrett's腺中看到的模式(见在线补充图S6)。TFF2和MUC6(见在线补充图6A, D)位于基部,与含有杯状细胞的肠腺相连。TFF1mRNA在这种部分肠化的腺体的顶端可见(见在线补充图S6B),甚至在杯状细胞分化清晰可见的地方也可见(箭头)。TFF2mRNA集中在腺基(见在线补充图S6C),尽管在巴雷特腺(图4(白色箭头),也可见于含有杯状细胞的表面(黑色箭头)。TFF3mRNA在整个腺体可见(图6E),但突出于表面杯状细胞(箭头)。LGR5就mRNA的表达定位于发育不良腺体的峡部/颈部等效区(见在线补充图S6Fi和ii),基础MUC6+/TFF2+区被保留(箭头所示)。
讨论
巴雷特腺的腺型与幽门黏膜的腺型相似:增生区位于等同于腺的峡部/颈部,细胞的迁移是双向的,向上进入等同于凹部,向下进入腺底的小管。干细胞区,如所示的存在LGR5就mRNA+细胞,位于该区域的较低部分,几乎与D/PAS+, TFF2+, MUC6+细胞(图4),而LGR5就胃窦腺中的mRNA+细胞主要见于峡部/颈部。MUC5AC和TFF1在腺体上部,而TFF2和MUC6集中在腺体基部的D/PAS细胞中,如胃窦腺。MUC2和较少的TFF3主要见于腺体上部的杯状细胞。巴雷特腺的组织,其增殖结构,干细胞定位和基因表达模式,直接反映幽门胃腺。我们的结论是,巴雷特腺含有相当于胃腺的凹窝、峡部、颈部和基底。
Ki67+细胞在Barrett腺体中的分布已被研究过,与本文描述的相似的模式,甚至在发育不良中也存在。17细胞迁移的动态方面还没有被研究:应该记住,Ki67标记细胞周期中的所有细胞和在细胞中看到的分布图1反映循环单元的分布,有效地在时间0。IdU仅标记S期细胞,7天的早期读数可以反映7天前标记的细胞位置(注意,基底腺没有Ki67+细胞:见在线补充图S1)。现在在小凹区标记的IdU+细胞的比例与以前的增殖区相同。这意味着细胞已经相当迅速地向上迁移到小窝。在基底中,此时有相对较少的标记细胞,表明向基底的迁移较慢。在第11天和29天,虽然标记细胞从凹区(通过表面挤压)和增殖区消失,但标记细胞仍保留在基底部,到67天,只有基底部含有标记细胞。
巴雷特腺的迁移是双向的:服部和藤田的详细研究18对仓鼠体和幽门的研究表明,虽然细胞在大约14天内迁移到表面,但需要300多天才能到达体腺基底。在人类中,凹穴细胞迅速迁移到表面(见在线补充图S1),但在注射IdU后67天,在峡部可以看到标记的顶骨细胞。14这表明在人类中,细胞到达腺体基底也需要类似的长时间,证实了双向流动。
通过谱系标记,LGR5已被证明是小鼠中真正的干细胞标记。15LGR5+细胞代表结肠癌中的干细胞样细胞群,也在肿瘤内类似正常隐窝的隐窝样结构的基底中发现19(看看图6D)+ LGR5就结肠癌内的细胞和所有分化谱系20.腺瘤也有报道,19这表明LGR5可以检测人类上皮细胞中的干细胞群。LGR5就mRNA特异性定位于TFF1+/MUC5AC+/MUC2+细胞和基础TFF2+/MUC6+细胞之间的交界处,并代表巴雷特腺体的干细胞区或生态位。细胞,包括注定成为杯状细胞的MUC2+细胞,从这里向上迁移,而TFF2+/MUC6+细胞则向下迁移。在幽门腺中,LGR5就也定位于峡部/颈部区域,并且可以看到类似的基因表达模式。将这些结果与胃肠化生的结果作比较(图2E、F):LGR5就mRNA可见于基底,如小肠隐窝(见在线补充图S3)和结肠隐窝。19巴雷特癌腺体显示LGR5就mRNA定位与Merlos-Suarez描述的非常相似等20.(ISH作为人类LGR5的IHC是不可靠的)(图6D)。
黏蛋白基因表达分布已有研究6,21还有TFFs22,23Barrett's腺:MUC5AC与TFF1和MUC6与TFF2选择性分离,与胃窦腺相似。24TFF3通常与MUC2共定位,但在Barrett腺体中,它在MUC6+/TFF2+基底粘液细胞中表达,与胃窦腺不同,也在不完全肠化的肠化生腺中表达(见在线补充图S6E)。TFF3在正常人类胃中的表达,25但在我们的手中,除非存在肠化生(见在线补充图S5D)。TFF2mRNA也低浓度表达在巴雷特和部分肠化胃腺的“凹窝”(见图4Di, ii和还在线补充图S6C)。
有趣的一点是巴雷特化生与肠化生的关系。26“混合型”肠化生发生在胃里,16在线补充图S6显示,这种混合型肠化生表现出与Barrett腺体相似的TFF表达模式——黏蛋白组织化学图谱也表现出混合型模式,16这表明巴雷特腺体类似于胃里的混合化生腺体。
巴雷特腺体是克隆种群13(图3).已建立的Barrett腺体含有多种细胞系MUC5AC+/TFF1+、MUC2+和MUC6+/TFF2+,在Barrett上皮中发现胃和肠道内分泌细胞。27在腺体的峡部/颈部等效区域的干细胞生态位包含了能够传递所有这些谱系的干细胞。要么该生态位含有能够产生所有所含谱系的独特干细胞,要么该生态位由具有有限谱系的干细胞混合物组成,例如,仅限于TFF1+/MUC5AC+和TFF2+/MUC6+谱系,而其他干细胞则产生TFF3+/MUC2+谱系(图7).
这里的含义是,巴雷特腺最初是含有TFF1+/MUC5AC+和TFF2+/MUC6+谱系的胃腺。同源盒基因CDX2与肠道分化的激活有关。2这种情况发生在胃里是由于幽门螺杆菌感染,并可能发生在巴雷特腺持续胆酸反流的结果。CDX2在干细胞中的表达将诱导TFF3+/MUC2+谱系的祖细胞。大多数干细胞分裂是对称的,中性漂移控制着干细胞动力学:28随机地,一个TFF3+/MUC2+干细胞可以在小生境中存活,然后腺体包含第一个致力于肠道分化的干细胞。中性漂移动力学可以预测这样的干细胞可能会丢失,并且腺体保持其胃表型,但干细胞可以在小生境中扩张,从而产生胃和肠混合谱系的巴雷特表型。最终,小生境的继承将用MUC2+/TFF3+干细胞填充小生境,形成一个完全肠化的腺体,如图Barrett食管所示。9,10我们声明,不能从所提供的观测数据推断因果关系。胃肠化生也可能经历这样的过渡阶段16(见网上补充图S6)。可见表达胃和肠道标记的细胞,可能是CDX2仅部分激活的干/祖细胞的后代,胃和肠道基因表达共存。
腺体形态,包括基底TFF2+/MUC6+细胞,在发育不良时保留,发育不良细胞局限于腺体的上部;在胃癌中,异常增生细胞可能起源于胃腺深坑或峡部:29在Barrett食管中,即使表面细胞缺乏发育不良的特征,腺体的发育不良部分也能克隆p16突变。30.目前尚不清楚基底TFF2+/MUC6+基底黏液细胞是否也是如此。不典型增生和癌可以显示胃和肠分化标志。7发育不良可能是通过干细胞中的突变事件引起的:因此,TFF1+/MUC5AC+或TTF3+/MUC2+交合干细胞/祖细胞中发育不良可能是干细胞区发育不良的起源,也可能是所描述的几种分化模式的原因。7
巴雷特节段可能由心脏粘膜的向上进展发展而来,这一概念近年来似乎已不受欢迎,人们更倾向于食管鳞状上皮的化生起源。2但也有较早的证据,如食管次全切除术和胃导管重建后新巴雷特的发展:这些患者中约50%的患者在手术时在鳞状粘膜排列的区域出现柱状上皮,柱状粘膜的长度随着随访时间的延长而增加。31动物模型的最新证据表明,1根据心脏化生的进展情况,32支持这样一项建议。无论采用哪种理论,都必须考虑到巴雷特腺复制胃腺组织的观察结果。
致谢
作者要感谢乔治·埃利亚,肿瘤生物学中心,巴特癌症研究所,玛丽女王,伦敦大学,为他提供的组织学服务。
参考文献
脚注
调整通知这篇文章自从发表Online First以来一直是开放获取的。本文的许可自发布以来已更改为CC BY 4.0。
贡献者所有作者都符合作者资格标准。具体设计:NAW、SACM、MJ、JAZ。实验:DLL、SACM、AMN、AH、RJ、SSZ、LJG、JG。分析:NAW, SACM, RP。组织:MRN, MR-J, TU, SK, PD, RH, HB, NS。写作稿件:NAW, SACM。稿件评审:所有作者。
相互竞争的利益DLL和NAW由英国癌症研究中心资助。SAC是由医学研究委员会资助的。SZ由CORE资助。资助者对本研究的设计或实践没有影响。
伦理批准伦敦研究伦理委员会,斯坦莫尔。
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