組織芯片+DSP空間組學(xué)揭示小細胞肺癌腫瘤內(nèi)分子特征和亞型異質(zhì)性

文章題目：Spatial Transcriptome-Wide Profiling of Small Cell Lung Cancer Reveals Intra-Tumoral Molecular and Subtype Heterogeneity

中文題目：空間組學(xué)技術(shù)揭示小細胞肺癌腫瘤內(nèi)分子特征和亞型異質(zhì)性

發(fā)表時間：2024.06.19

期刊名稱：Advanced Science 

影響因子：15.1

實驗平臺：DSP空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)

DOI：10.1002/advs.202402716

 

一、研究背景

小細胞肺癌（SCLC）因其快速增長、早期轉(zhuǎn)移及對治療的抵抗性和復(fù)發(fā)性而著稱，患者的五年總體生存率不足7%。盡管近年來包括免疫治療和化療組合在內(nèi)的治療方法取得了一些進展，但在提高生存率方面收效甚微。傳統(tǒng)的“一刀切”治療策略未能充分考慮腫瘤內(nèi)及腫瘤間的異質(zhì)性，這種異質(zhì)性顯著影響患者的治療反應(yīng)和預(yù)后。為了填補這一知識空白，本研究利用DSP技術(shù)，對25名SCLC患者進行空間轉(zhuǎn)錄組分析，揭示了腫瘤內(nèi)部的區(qū)域異質(zhì)性。研究發(fā)現(xiàn)，不同空間局部的組織區(qū)域具有獨特的分子特征、生物功能、免疫特征和分子亞型。此外，研究還建立了與患者生存和治療反應(yīng)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組內(nèi)異質(zhì)性（ITH）特征，并通過多中心患者隊列驗證了這些特征的預(yù)后價值。

 

二、技術(shù)路線

 

三、研究結(jié)果

1. 數(shù)字空間轉(zhuǎn)錄組分析在SCLC中的應(yīng)用

通過DSP技術(shù)，研究團隊對來自25名SCLC患者的79個腫瘤特定區(qū)域（ROIs）進行了高分辨率的基因表達分析。分析顯示，SCLC腫瘤內(nèi)存在顯著的轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性，主要體現(xiàn)在不同區(qū)域的基因表達譜、分子特征和生物學(xué)功能上。具體而言，不同腫瘤區(qū)域在免疫細胞浸潤、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）和血管生成等生物學(xué)過程中的基因表達存在顯著差異。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了SCLC腫瘤內(nèi)復(fù)雜的生物學(xué)特性，還為理解腫瘤異質(zhì)性如何影響疾病進展和治療反應(yīng)提供了新的視角。利用DSP技術(shù)，研究團隊能夠?qū)Σ煌瑓^(qū)域進行精細的分子分型，確定了具有獨特分子特征的高、中、低ITH表型。這些表型的識別對于進一步理解SCLC的病理特征和開發(fā)個性化治療策略具有重要意義。

Fig1. SCLCs的轉(zhuǎn)錄組空間圖譜研究框架

2. ITH表型與腫瘤微環(huán)境的免疫特征

研究表明，不同的腫瘤內(nèi)異質(zhì)性（ITH）表型在免疫細胞浸潤方面表現(xiàn)突出。通過對SCLC患者腫瘤樣本進行詳細分析，發(fā)現(xiàn)中等異質(zhì)性（m-ITH）表型在腫瘤微環(huán)境中具有顯著增多的CD8+ T細胞。這些細胞在免疫反應(yīng)中扮演重要角色，能夠直接殺傷腫瘤細胞。具體而言，m-ITH表型中的CD8+ T細胞不僅數(shù)量顯著增加，而且其功能也顯著增強。這些T細胞的抗原呈遞能力和免疫檢查點分子的表達水平較高，表明這些區(qū)域具有更高的免疫活性。例如，研究通過免疫組化（IHC）染色觀察到，m-ITH表型區(qū)域中CD8+ T細胞的浸潤顯著高于其他表型。此外，基因表達分析顯示，這些區(qū)域中與抗原呈遞相關(guān)的分子（如MHC-I類分子）和免疫檢查點分子（如PD-1和CTLA-4）的表達水平顯著升高。這種免疫特征的差異不僅反映了不同ITH表型的生物學(xué)差異，也提示了這些表型在腫瘤免疫逃逸和治療反應(yīng)中的潛在作用。高水平的CD8+ T細胞浸潤和增強的免疫功能表明，m-ITH表型可能對免疫治療更加敏感。因此，這些發(fā)現(xiàn)對開發(fā)基于腫瘤異質(zhì)性的個性化治療策略具有重要意義。

Fig2. DSP鑒定的與腫瘤內(nèi)ROI相關(guān)的不同表達模式

3. ITH與患者生存和治療結(jié)果的關(guān)系

研究通過將ITH表型映射到患者層面，揭示了腫瘤微環(huán)境復(fù)雜度（TME）與患者生存和治療結(jié)果之間的顯著關(guān)系。將ROIs按照其ITH表型分為高復(fù)雜度TME（HCs-TME）和低復(fù)雜度TME（LCs-TME）兩組，并比較了這兩組患者的生存率和無病生存率。結(jié)果顯示，LCs-TME患者的總體生存率（OS）和無病生存率（DFS）顯著優(yōu)于HCs-TME患者。在Kaplan-Meier生存分析中，LCs-TME組的患者表現(xiàn)出更長的生存時間和較低的復(fù)發(fā)率。具體來說，LCs-TME組患者的五年生存率明顯高于HCs-TME組，且在無病生存時間上也具有顯著優(yōu)勢。此外，研究還發(fā)現(xiàn)LCs-TME患者在治療反應(yīng)方面表現(xiàn)出更好的效果。LCs-TME組患者對治療的響應(yīng)更好，尤其是在接受免疫治療和化療的患者中，LCs-TME組表現(xiàn)出更高的完全緩解率和部分緩解率。這表明，腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜度不僅影響患者的生存預(yù)后，還顯著影響其對治療的響應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)提示，腫瘤內(nèi)異質(zhì)性及其導(dǎo)致的微環(huán)境復(fù)雜度在SCLC的臨床結(jié)局中扮演了重要角色。高復(fù)雜度TME可能促進了腫瘤的侵襲性和耐藥性，從而導(dǎo)致較差的生存和治療結(jié)果。而低復(fù)雜度TME則可能提供了更有利的條件，促進了更有效的免疫響應(yīng)和治療效果。因此，基于ITH表型的患者分類有望在未來的個性化治療策略中發(fā)揮重要作用，幫助臨床醫(yī)生更精準地制定治療計劃，提高患者的生存率和生活質(zhì)量。

Fig3. 腫瘤內(nèi)空間微環(huán)境中的免疫特征

4. ITH揭示腫瘤分子亞型的異質(zhì)性

研究發(fā)現(xiàn)，不同的ITH表型在腫瘤-基質(zhì)模式和癌細胞形態(tài)方面存在顯著差異。高ITH腫瘤表現(xiàn)出更高的腫瘤純度，這些區(qū)域的腫瘤細胞占據(jù)主導(dǎo)地位，通常呈現(xiàn)出典型的裸核形態(tài)。這一形態(tài)特征常與高度侵襲性和快速增殖相關(guān)。相反，中低ITH表型的腫瘤展示了更復(fù)雜的腫瘤-基質(zhì)模式。這些區(qū)域中，研究發(fā)現(xiàn)了顯著的纖維化基質(zhì)和大量的淋巴細胞浸潤。纖維化基質(zhì)由大量的纖維母細胞和膠原蛋白組成，反映了腫瘤微環(huán)境中持續(xù)的免疫反應(yīng)和組織重塑過程。中低ITH表型腫瘤中的淋巴細胞浸潤主要包括T細胞和B細胞，提示這些腫瘤區(qū)域存在較強的免疫反應(yīng)。通過這些分析，研究揭示了SCLC腫瘤內(nèi)存在顯著的分子亞型異質(zhì)性，不同ITH表型在腫瘤細胞和基質(zhì)成分上的差異為理解腫瘤的生物學(xué)特性提供了新的視角。這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于解釋腫瘤的異質(zhì)性對疾病進展和治療反應(yīng)的影響，還為未來的腫瘤分類和個性化治療策略提供了重要的基礎(chǔ)�？傊�，ITH分析揭示了SCLC中不同分子亞型的顯著異質(zhì)性，這些異質(zhì)性反映在腫瘤-基質(zhì)模式和癌細胞形態(tài)上，這為深入理解腫瘤生物學(xué)及其臨床意義提供了寶貴的見解。

Fig4. 腫瘤內(nèi)空間異質(zhì)性與患者的生存率和治療結(jié)果相關(guān)

5. ITH相關(guān)的預(yù)后模型開發(fā)

研究團隊開發(fā)了名為ITHtyper的預(yù)后模型，該模型基于ITH的特征，能夠有效區(qū)分高ITH和低ITH表型。ITHtyper模型利用空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，通過先進的機器學(xué)習(xí)算法，如XGBoost，進行訓(xùn)練和驗證。這一模型在多中心患者隊列中進行了嚴格的驗證，結(jié)果顯示其在預(yù)測患者生存率和治療反應(yīng)方面表現(xiàn)出色。ITHtyper模型通過識別關(guān)鍵的基因表達模式，能夠準確預(yù)測患者的預(yù)后。高ITH表型通常與較差的生存率和較低的治療反應(yīng)相關(guān)，而低ITH表型則表現(xiàn)出更好的生存結(jié)果和更高的治療響應(yīng)率。在多中心隊列驗證中，包括多個獨立的患者數(shù)據(jù)集，ITHtyper模型顯示出高度的預(yù)測準確性和穩(wěn)健性，進一步確認了其臨床應(yīng)用價值。此外，ITHtyper在預(yù)測免疫治療反應(yīng)方面也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。研究發(fā)現(xiàn)，低ITH表型的患者對免疫檢查點抑制劑（如PD-1和CTLA-4）等免疫治療具有更好的反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)具有重要的臨床意義，因為它能夠幫助臨床醫(yī)生根據(jù)患者的ITH表型選擇最合適的治療方案，提高治療效果�？偟膩碚f，ITHtyper模型的開發(fā)和驗證為個性化治療提供了強有力的工具，通過精確識別患者的ITH表型，可以更好地預(yù)測治療效果，制定最優(yōu)的治療策略，提高患者的生存率和生活質(zhì)量。

Fig5. SCLC腫瘤內(nèi)空間異質(zhì)性與常規(guī)分子分類的相關(guān)性

 

四、主要結(jié)論

通過DSP技術(shù)對25名SCLC患者的79個ROIs進行全轉(zhuǎn)錄組分析，揭示了SCLC中顯著的ITH。研究發(fā)現(xiàn)，不同的ITH表型在基因表達、腫瘤-基質(zhì)模式和免疫細胞浸潤方面存在顯著差異。高ITH腫瘤表現(xiàn)出更高的腫瘤純度和典型的裸核形態(tài)，而中低ITH腫瘤則顯示出更明顯的纖維化基質(zhì)和淋巴細胞浸潤。通過這些數(shù)據(jù)，研究團隊開發(fā)了名為ITHtyper的預(yù)后模型，該模型能夠有效區(qū)分高ITH和低ITH表型，并在多中心患者隊列中驗證了其預(yù)測生存率和治療反應(yīng)的能力。特別是，ITHtyper在預(yù)測免疫治療反應(yīng)方面表現(xiàn)優(yōu)異，低ITH表型患者對免疫檢查點抑制劑（如PD-1和CTLA-4）的反應(yīng)更好。總的來說，這些發(fā)現(xiàn)為理解SCLC的生物學(xué)特性和臨床行為提供了新的見解，并為個性化治療策略的開發(fā)提供了強有力的工具。