腫瘤微環(huán)境影響癌癥空間和細胞異質(zhì)性研究進展
腫瘤微環(huán)境與微生物
無處不在的微生物也存在于腫瘤微環(huán)境中。2020 年 5 月，Ravid Straussman 團隊在 Science 上發(fā)表了一項大規(guī)模腫瘤微生物組的研究結(jié)果。他們采集了 1526 份不同癌癥類型患者樣品，發(fā)現(xiàn)每種腫瘤類型都有不同的微生物組組成，例如，厚壁菌門和擬桿菌門的細菌在結(jié)直腸腫瘤中數(shù)量最多，變形桿菌在胰腺癌的微生物組中占主導(dǎo)地位。他們還通過代謝組學(xué)預(yù)測了腫瘤微生物的功能與其腫瘤微環(huán)境之間存在聯(lián)系[1]。但這一研究并未證明腫瘤微生物是否在癌癥的發(fā)展中起因果作用。
今年 11 月，Susan Bullman 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在 Nature 上發(fā)表了一篇題為 Effect of the intratumoral microbiota on spatial and cellular heterogeneity in cancer 的研究性論文。他們采用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)來鑒定癌癥患者患者腫瘤內(nèi)微生物群落及其原位位置，還開發(fā)了一種單細胞 RNA 測序方法，用于識別細胞相關(guān)細菌和它們相互作用的宿主細胞。該研究結(jié)果揭示了腫瘤微生物促進癌癥進展的作用[2]。
腫瘤微生物促進癌癥進展
■ 腫瘤內(nèi)微生物群的異質(zhì)性
研究者們首先對 11 例結(jié)直腸癌 (colorectal cancer, CRC) 患者的 44 塊腫瘤組織進行了 16S rRNA 基因測序，發(fā)現(xiàn)在個體患者腫瘤中瘤內(nèi)微生物門屬水平上的種類有所不同，大部分患者 (n=7/11) 的瘤內(nèi)微生物表現(xiàn)出不同程度的異質(zhì)性，即一部分患者的瘤內(nèi)微生物在組織中分布不均勻。
圖 1. 具核梭桿菌 (Fusobacterium nucleatum) 和其他細菌群落在口腔鱗狀細胞癌 (OSCC) (左) 和 CRC (右) 腫瘤組織中的空間分布[2]
具核梭桿菌探針為紅色，真細菌探針為青色；Bac- 為細菌陰性區(qū)，Bac+ 為細菌陽性區(qū)
為了進一步研究瘤內(nèi)微生物的分布空間和特性問題，研究者使用 10× Visium 空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)對 CRC 樣本和口腔鱗狀細胞癌 (oral squamous cell carcinoma, OSCC) 樣本進行無偏分析，定位細菌轉(zhuǎn)錄本空間坐標(biāo)以及量化細菌轉(zhuǎn)錄量。細菌分布及載量如圖 2a 所示，此外還發(fā)現(xiàn)，微單胞菌屬 (Parvimonas)、嗜胨菌屬 (Peptoniphilus) 和梭桿菌屬 (Fusobacterium) 是 OSCC 腫瘤樣本中最主要的屬，梭桿菌屬 (Fusobacterium) 和擬桿菌屬 (Bacteroides) 是 CRC 腫瘤樣本中最主要的屬。
圖 2. 腫瘤組織中瘤內(nèi)細菌的空間分布[2]
■ 腫瘤內(nèi)生態(tài)位被微生物定植
為了確定瘤內(nèi)微生物在個體腫瘤中的異質(zhì)分布是否與 TME 的功能有關(guān)，作者團隊通過 GeoMx 數(shù)字空間分析 (digital spatial profiling, DSP) 平臺，使用靶向方法，量化了與抗腫瘤免疫和癌癥進展相關(guān)的 77 種蛋白質(zhì)的表達譜，對所感興趣的免疫區(qū)室或上皮癌區(qū)室中的蛋白進行分區(qū)分析 (細菌陰性區(qū) Bac- 與細菌陽性區(qū) Bac+)。
在 OSCC 和 CRC 腫瘤的 CD45+ 免疫區(qū)室中，細菌存在于高度免疫抑制的微生態(tài)位 (microniches)，其特征是成熟 CD66b+ 骨髓細胞以及免疫抑制分子 ARG1 (精氨酸酶 1) 和免疫檢查點蛋白 CTLA4 (細胞毒性 T 淋巴細胞相關(guān)蛋白 4) 的上調(diào)。此外，在兩種癌癥類型中，ERK1 和 ERK2 磷酸化水平升高，這表明骨髓對腫瘤內(nèi)細菌的反應(yīng)可能是通過激活 MAPK 信號通路發(fā)生的。
在兩種癌癥類型的 PanCK+上皮腫瘤區(qū)室中，細菌定植區(qū)域 (Bac+) 的血管化程度低于細菌陰性區(qū)域 (Bac-)，平滑肌肌動蛋白 (SMA) 表達減少，增殖水平降低 (圖 3) (在連續(xù)的組織切片中，使用抗泛細胞角蛋白 (PanCK) 和CD45免疫熒光可標(biāo)記上皮癌細胞和免疫區(qū)室在腫瘤組織的分布)。在 OSCC 和 CRC 腫瘤組織的細菌定植微生態(tài)位中，腫瘤抑制因子 p53 野生型構(gòu)型的蛋白質(zhì)表達顯著降低，表明細菌定位與 TME 內(nèi)高度轉(zhuǎn)化的癌細胞相關(guān)。細菌定植的微生態(tài)位顯著增加了 CRC 腫瘤中 JNK、ERK1 和 ERK2 以及 P38 的磷酸化水平，這一通路即為在細菌響應(yīng)中被激活的信號通路。
圖 3. 腫瘤相關(guān)微生物群對局部微生態(tài)位的影響[2]
RNascope-CISH 圖像顯示具核梭桿菌 (暗紅色) 和其他細菌群落 (青藍色) 在腫瘤組織中的分布，連續(xù)的免疫組織化學(xué)圖像顯示 CD45+ (紅色) 和 PanCK+ (綠色) 細胞的分布，以分別鑒定腫瘤組織中的免疫和上皮區(qū)室。■ 微生物驅(qū)動的單細胞異質(zhì)性
為了研究 TME 中細菌-宿主細胞間的相互作用以及對宿主細胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)的影響，作者團隊通過引入靶向細菌 16S rRNA 保守區(qū)域的引物開發(fā)了侵襲-黏附定向表達測序法 (invasion-adhesion-directed expression sequencing, INVADEseq)。他們利用該方法檢測了 7 位 OSCC 患者的新鮮腫瘤組織。共聚焦成像結(jié)果顯示，在組織分離成單個細胞后，這些患者腫瘤的單個細胞內(nèi)含有細胞粘附細菌和細胞內(nèi)細菌 (圖 4a)。這 7 份腫瘤樣本的整合 scRNA-seq 結(jié)果顯示，瘤內(nèi)微生物區(qū)系以梭桿菌屬 (Fusobacterium) (占 34%) 和密螺旋體屬 (Treponema) (29.8%) 為主 (圖 4b)。
為了確定這兩種菌屬是否影響上皮細胞的信號通路，作者團隊將梭桿菌屬或密螺旋體屬陽性的單上皮細胞與上皮細胞簇中的細菌陰性細胞 (Total Bac-) 進行比較。GSEA分析結(jié)果顯示，IFN 和 JAK-STAT 信號顯著上調(diào) (伴隨 SERPIN 家族分子表達增加)，趨化因子 (如 CXCL10, CXCL11, CCL4 和 CCL3) 以及金屬蛋白酶 (MMP9 和 MMP3) 也顯著上調(diào) (圖 4d-e)。另外還比較了泛細菌陽性 (Total Bac+) 與細菌陰性 (Total Bac-) 細胞之間的差異，結(jié)果顯示，與感染特定菌屬的細胞相比，泛細菌陽性上皮細胞中與癌癥進展相關(guān)的基因表達和細胞信號通路僅受到很小程度影響。
這些結(jié)果表明，瘤內(nèi)微生物可以在免疫和上皮細胞群的單細胞水平上驅(qū)動患者腫瘤的異質(zhì)性。
a. OSCC 患者腫瘤內(nèi)細菌的分布；b. 使用 INVADEseq 方法整合 7 例 OSCC 患者的腫瘤 scRNA-seq 數(shù)據(jù)后，在屬水平上的微生物組組成。c-d. 梭桿菌屬 (Fuso) (上) 和密螺旋體屬 (Trep) (下) 陽性單上皮細胞與陰性細胞 (Total Bac-) 的 GSEA 分析結(jié)果顯示，兩種細胞之間信號通路與基因表達有顯著差異 (NES：normalized enrichment scores 歸一化富集分數(shù))
■ 瘤內(nèi)微生物誘導(dǎo)癌細胞遷移
作者團隊還探究了腫瘤內(nèi)微生物群的主要菌屬與免疫或上皮癌細胞的直接相互作用。他們將 CRC 上皮球狀體與從 CRC 分離的具核梭桿菌共培養(yǎng)，然后包埋到含有均勻分布中性粒細胞的膠原蛋白基質(zhì)中 (圖 5a)。通過活細胞共聚焦顯微鏡發(fā)現(xiàn)，在沒有具核梭桿菌的情況下，中性粒細胞在上皮球狀體內(nèi)自由遷移 (平均速度為 4.329 µm·min-1 ± 0.08766 (s.e.m.)，平均細胞位移為 57.21 µm)。在有具核梭桿菌的情況下，中性粒細胞通過降低其遷移能力來應(yīng)對細菌感染 (平均速度為 3.593 µm·min-1 ± 0.08561 (s.e.m.)，平均細胞位移為 34.53 µm)。中性粒細胞簇的形成伴隨著 ERK 和p38 MAPK 磷酸化水平的顯著增加。其部分原因是髓系對瘤內(nèi)細菌的反應(yīng)。
另外，作者團隊還發(fā)現(xiàn)，感染具核梭桿菌的 CRC 上皮細胞從球狀體脫離，并作為單個上皮細胞遷移到周圍的膠原蛋白基質(zhì)中 (圖 5b)。進入基質(zhì)的被感染癌細胞以平均速度為 19.99 µm·h-1 ± 0.827 (s.e.m.) 的速率遷移。
這些結(jié)果表明，入侵癌細胞的細菌不僅促進了癌細胞在膠原基質(zhì)中的擴散，而且還改變了受感染癌細胞的運動模式，從而在功能水平上促進了細胞的異質(zhì)性。
a. 活細胞共聚焦成像顯示，在沒有 (左) 或有 (右) 具核梭桿菌的情況下，與 CRC 球體相關(guān)的中性粒細胞運動狀態(tài)；b. 共聚焦顯微鏡觀察在沒有 (左) 和有具核梭桿菌 (右) 的情況下 HCT116 細胞球體入侵膠原基質(zhì)的狀態(tài)。
總結(jié)
參考文獻
1. Nejman D, Straussman R, et al. The human tumor microbiome is composed of tumor type-specific intracellular bacteria. Science. 2020 May 29;368(6494):973-980.
2. Galeano Niño JL, Bullman S, et al. Effect of the intratumoral microbiota on spatial and cellular heterogeneity in cancer. Nature. 2022 Nov;611(7937):810-817.
