6K基因單細胞空間轉錄組助力SMI+TMA助力卵巢癌研究

研究機構：

美國加州斯坦福大學醫(yī)學院

文章背景及技術平臺：

輸卵管-卵巢高分化漿液性癌（HGSC）是一種常見且具有侵襲性的卵巢癌，通常在晚期被診斷，且易出現(xiàn)化療耐藥性，導致其5年生存率低于50%。盡管已有研究深入了解了HGSC的基因特征，但影響免疫募集和浸潤的分子和細胞機制仍不清楚。另外，現(xiàn)有免疫療法在治療HGSC方面的效果有限。本研究中，科研人員利用三個空間轉錄組學平臺收集空間數據，對94名患者的130個HGSC腫瘤進行RNA空間原位檢測，生成了四個數據集來闡述腫瘤的特征和機制。

空間轉錄組測序平臺：

Discovery和Test數據集是使用CosMx SMI平臺生成，使用panel：CosMx Human 6K Discovery Panel、CosMx Universal Cell Characterization RNA 960-gene panel；

Validation 1數據集由10x Genomics Xenium平臺生成；

Validation 2 數據集由Vizgen平臺生成。

空間轉錄組測序平臺

HGSC腫瘤樣本信息

本研究收集和分析的數據集

 

01 主要結果

1. 生成HGSC單細胞空間轉錄組圖譜

利用SMI技術和組織芯片優(yōu)勢，從94例腫瘤的491,792個細胞中檢測了960個基因的表達水平，創(chuàng)建了一個單細胞基因表達圖譜。通過對細胞類型進行注釋，發(fā)現(xiàn)主要由惡性細胞、T細胞、自然殺傷（NK）細胞、B細胞、單核細胞、肥大細胞、成纖維細胞/基質細胞和內皮細胞組成。通過整合HGSC空間數據和六個公開可用的單細胞RNA測序（scRNA-seq）數據集，生成了一個統(tǒng)一的HGSC單細胞轉錄圖譜，并進行共嵌入分析，驗證了細胞類型的注釋和數據一致性。對數據的初步分析揭示了患者之間的異質性腫瘤組織的細胞組成，惡性細胞和成纖維細胞形成了空間上明顯不同的區(qū)室，這些區(qū)室與不同類型的免疫細胞（如T/NK細胞）的浸潤情況相關。T/NK細胞傾向于與特定的惡性細胞亞群共定位，較高T/NK細胞豐度的患者具有較高的生存率。

HGSC腫瘤的單細胞空間轉錄組圖譜揭示腫瘤微環(huán)境和免疫細胞浸潤模式

2. T細胞狀態(tài)反映了T細胞腫瘤浸潤狀態(tài)

使用無監(jiān)督方法對每種免疫細胞類型的轉錄組進行嵌入和聚類分析，發(fā)現(xiàn)位于惡性區(qū)室中的免疫細胞在轉錄上不同于位于其外部的免疫細胞。利用混合效應模型（LMM）分析發(fā)現(xiàn)CD8 TIP的高表達與腫瘤浸潤狀態(tài)密切相關，特別是效應性和耗竭性CD8+ T細胞傾向于在惡性細胞附近富集。隨后建立了一個以CD8+ T細胞為中心的配體-受體相互作用網絡，通過分析惡性區(qū)室和基質區(qū)室中不同細胞類型之間的配體-受體相互作用。在惡性區(qū)室中發(fā)現(xiàn)了CD80/CD86–CTLA4、TIM3–LAGLS9等抑制性配體-受體相互作用，這些相互作用可能抑制CD8+ T細胞的浸潤和殺傷能力。此外，CD8+ T細胞通過CXCR6–CXCL16和CXCR4–CXCL12的相互作用，在惡性或基質區(qū)室中趨化性招募，這些信號調節(jié)腫瘤微環(huán)境中的免疫細胞動態(tài)。

免疫細胞狀態(tài)標志著免疫細胞腫瘤浸潤狀態(tài)

3. 惡性細胞狀態(tài)標志并預測T/NK細胞浸潤

通過繪制惡性區(qū)室內T/NK細胞的空間分布圖發(fā)現(xiàn)，在惡性細胞的轉錄程序（MTIL程序）中，高表達的基因可以標記浸潤性TIL的存在。基因集富集分析發(fā)現(xiàn)MTIL程序與染色質重塑、TGF-β反應和干細胞分化相關。MTIL的空間分布表明MTIL表達在T/NK細胞豐度高的區(qū)域，并且MTIL表達的惡性細胞根據其周圍T/NK細胞的相對豐度進行分層。ROC曲線分析表明MTIL可以在樣本、空間框架和單細胞水平上有效預測T/NK細胞的分布。這些結果有助于理解腫瘤免疫逃逸的分子機制。

惡性細胞轉錄程序標記并預測T/NK細胞豐度

4. MTIL預測患者存活率和ICB反應

使用多變量Cox比例風險模型分析HGSC患者的總生存率，將MTIL表達水平、T/NK細胞密度、患者年齡、疾病階段和其他臨床變量納入模型。分析表明，MTIL高表達與較差的總生存率顯著相關。Kaplan-Meier曲線顯示，MTIL高表達的患者總體生存率較低，表明MTIL可以作為患者預后的獨立預測因子。對黑色素瘤和非小細胞肺癌等不同癌癥類型的患者數據集進行Kaplan-Meier曲線分析，評估MTIL表達水平對ICB治療進展無進展生存率（PFS）的預測效果，發(fā)現(xiàn)在這些癌癥類型中，MTIL高表達的患者在接受ICB治療后的PFS較差。在HER2陰性乳腺癌的I-SPY2臨床試驗數據集中，發(fā)現(xiàn)MTIL高表達顯著與pCR相關聯(lián)，這表明MTIL在不同腫瘤類型和治療條件下具有潛在的臨床應用價值。

MTIL表達預測ICB的臨床反應

5. 腫瘤中MTIL表達和T/NK細胞豐度與CNAs（大量拷貝數改變）的關系

方差分析（ANOVA）發(fā)現(xiàn)MTIL的跨患者變異性大于腫瘤內部變異性，即使在排除腫瘤微環(huán)境組成的影響后，MTIL的表達仍然是預測整個腫瘤組織核心的TIL水平的有效指標。MTIL中正相關的基因包括干擾素受體（IFNGR2、IFNAR1、IFNAR2）以及干擾素調節(jié)因子1（IRF1）和RUNX1，負相關的基因包括TCF7L2、FGFR2和AXL。利用免疫測定發(fā)現(xiàn)BMP7在TIL缺乏的HGSC腫瘤中擴增，抑制NK細胞中的IFN-γ和TNF分泌。配體-受體共定位分析發(fā)現(xiàn)MTIL的CXCL9、CXCL10、CXCL16、CCL5和CX3CL1化學因子的缺失與低TIL水平相關。通過CRISPR–dCas9在NK-92細胞中激活CXCR6，發(fā)現(xiàn)劑量依賴性和CXCR6依賴性NK細胞向CXCL16的定向遷移。

MTIL和T/NK細胞水平的遺傳關聯(lián)

6. MTIL程序對癌細胞免疫介導選擇壓力的功能影響

在單一培養(yǎng)的卵巢癌細胞和兩種與細胞毒性T淋巴細胞（CTL）共培養(yǎng)的卵巢癌細胞中進行了高含量CRISPR敲除（KO）篩選，發(fā)現(xiàn)MTIL-Up基因與免疫介導選擇壓力敏感性增加相關，而MTIL-Down基因與癌細胞對免疫介導壓力的敏感性降低相關，表現(xiàn)出脫敏效應。Perturb-seq數據分析識別了43個正調控因子和104個負調控因子，正調控因子富集于端粒維持、轉錄調控、蛋白質代謝和細胞因子信號傳導相關的基因。負調控因子富集于染色質組織、Wnt通路、Myc靶基因和免疫抗性基因。

對Perturb-seq數據集的Meta分析確定了MTIL的調節(jié)因子

7. MTIL基因及調控因子的敲除對卵巢癌細胞免疫逃逸的影響

設計了74個MTIL基因和調節(jié)因子進行高通量CRISPR敲除篩選，發(fā)現(xiàn)PTPN1和ACTR8敲除會激活MTIL程序，使惡性細胞對T細胞/NK細胞的細胞毒性更敏感。IFNGR1、IRF1和STAT1敲除會抑制MTIL程序，使細胞對T細胞介導的殺傷具有抗性。MTIL阻遏物（ACTR8、DNMT1、FGFR1、PTPN1、MED12和MIF）的敲除放大了對NK細胞的轉錄反應，而MTIL激活物（如STAT1、IFNGR1、INTS2、IRF1、PARP12等）的敲除抑制并抵消了對NK細胞的轉錄反應。

高通量CRISPR敲除抑制MTIL的擾動

8．MTIL抑制因子PTPN1和ACTR8對卵巢癌細胞免疫殺傷的影響

生成PTPN1和ACTR8的敲除TYK-nu卵巢癌細胞系，PTPN1和ACTR8的敲除顯著增強了卵巢癌細胞對NK細胞和T細胞介導的細胞死亡的敏感性，但ACTR8的敲除并未影響卵巢癌細胞的生存能力。利用劑量控制的線性混合模型（LMM）分析使用ABBV-CLS-484（PTPN1/PTPN2抑制劑）處理的TYK-nu和OVCAR3細胞系，發(fā)現(xiàn)ABBV-CLS-484對單獨培養(yǎng)中的細胞生存影響最小，但顯著增加了NK細胞對卵巢癌細胞的殺傷作用。

抑制MTIL抑制因子使癌細胞對T/NK細胞介導的細胞毒性敏感

 

02 總結 

這項研究利用SMI等空間轉錄組平臺，結合組織芯片的優(yōu)勢，通過對大量樣本的檢測，全面繪制了HGSC腫瘤的空間圖譜，揭示了腫瘤組織和淋巴細胞浸潤的普遍規(guī)律。研究顯示，體細胞基因變異與惡性細胞轉錄失調和免疫逃逸之間存在密切聯(lián)系，這為破解HGSC的免疫逃逸機制提供了新視角。使用空間轉錄組數據和Perturb-seq數據，識別了潛在的細胞狀態(tài)調控因子。研究還發(fā)現(xiàn)，PTPN1和ACTR8的敲除顯著提高了卵巢癌細胞對T細胞和NK細胞介導的細胞毒性的敏感性，同時PTPN1/PTPN2抑制劑ABBV-CLS-484也顯著增強了NK細胞對卵巢癌細胞的殺傷。研究結果為HGSC的免疫逃逸提供了新的診斷和干預策略，未來可以將PTPN1和ACTR8作為新的治療靶點，為免疫細胞工程和新型治療方法的設計提供了基礎數據。