數(shù)字空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)用于口腔癌的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移研究

文章題目：口腔癌中的中間成纖維細(xì)胞和髓系細(xì)胞的空間分布決定淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移
期刊：Journal of Translational Medicine
DOI: 10.1186/s12967-024-05511-1

 
01 研究背景

由于治療方案有限和缺乏治療靶點(diǎn)，口腔癌一直是一個(gè)重大健康挑戰(zhàn)，大多數(shù)(40%)口腔癌發(fā)生在牙齦頰部，表現(xiàn)為鱗狀細(xì)胞癌（GB-OSCC），本研究旨在探討GB-OSCC腫瘤侵襲邊緣的基因和細(xì)胞類型的定位，以了解不同距離下的侵襲邊緣如何導(dǎo)致淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。

DSP技術(shù)ROI圈選及研究區(qū)域與結(jié)論概括

 
02 主要結(jié)果  

1. GB-OSCC腫瘤樣本的空間轉(zhuǎn)錄組分析可將腫瘤邊緣與TME區(qū)分開

基于ROI（感興趣區(qū)域）的類型進(jìn)行UMAP分析：（Immune-cells）免疫細(xì)胞、（Normal）正常鱗狀上皮、（Tumor-centre）腫瘤中心（腫瘤與免疫細(xì)胞之間的距離為200 µm）、（Tumor-Margin）侵襲性腫瘤邊緣（腫瘤細(xì)胞與免疫細(xì)胞之間的距離分別為<200 µm、>200、300和500 µm）、（Tumor-only）腫瘤區(qū)（僅含腫瘤細(xì)胞）。根據(jù)PanCK+AOI和PanCK−AOI，可以清晰地區(qū)分各區(qū)域�；�于淋巴結(jié)狀態(tài)生成的UMAP圖表明，樣本間的分離取決于區(qū)域類型而不是淋巴結(jié)狀態(tài)。使用變異系數(shù)(CV%)計(jì)算前100個(gè)高度可變基因，進(jìn)行系統(tǒng)聚類后，將AOI分為兩大類。第一簇由來自間質(zhì)末端的AOI組成，第二簇由來自腫瘤末端的AOI組成。

空間距離劃分轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)特征

 
2. 腫瘤邊緣的基因?qū)α馨徒Y(jié)轉(zhuǎn)移至關(guān)重要

對(duì)淋巴結(jié)陽性(n=10)和淋巴結(jié)陰性(n=13)患者的ROI進(jìn)行了整體差異基因表達(dá)分析。FN1基因在淋巴結(jié)陽性區(qū)域中高度上調(diào)，其中在腫瘤邊緣觀察到表達(dá)增加，與正常上皮區(qū)域有顯著差異。COL5A1基因在淋巴結(jié)陽性病例中高度上調(diào)，其中在基質(zhì)末端和距離> 500 µm的TME中的細(xì)胞之間觀察到顯著的表達(dá)差異，在腫瘤邊緣和腫瘤區(qū)域之間也存在差異�；鹕綀D顯示了淋巴結(jié)陽性和陰性ROI之間最高上調(diào)和下調(diào)的基因。淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移病例在侵襲邊緣< 200µm處表現(xiàn)出較高的基因表達(dá)包括FN1、COL5A1、COL6A3等。DAVID 功能富集分析表明有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的病例中，基質(zhì)生物學(xué)和免疫功能被破壞。

淋巴結(jié)陽性和陰性患者ROIs的基因表達(dá)空間分布圖及功能結(jié)果

 
3. 分布在腫瘤邊緣的ECM基因有助于腫瘤轉(zhuǎn)移

評(píng)估了已知轉(zhuǎn)移標(biāo)記物的空間分布，包括PDPN、ZEB1和LAMB3。結(jié)果發(fā)現(xiàn)PDPN和LAMB3在腫瘤末端過度表達(dá)，而ZEB1在腫瘤邊緣的間質(zhì)末端表達(dá)更多。多重IHC顯示FN1和COL5A1在侵襲邊緣的TME的成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞中共同定位，且在有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的病例中，兩種蛋白共存的細(xì)胞數(shù)量較多。因此腫瘤邊緣的FN1和COL5A1有助于淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。

轉(zhuǎn)移基因表達(dá)的空間分布圖

 
4. 腫瘤邊緣是淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的活躍部位，基質(zhì)末端的CAFs有助于ECM的形成

基于腫瘤和免疫細(xì)胞狀態(tài)之間的距離，對(duì)不同ROI類型的標(biāo)志基因集（左）和OSCC特異性功能基因（右）進(jìn)行了GSVA分析，淋巴結(jié)陽性腫瘤邊緣的腫瘤末端，DNA修復(fù)、未折疊蛋白反應(yīng)、mTORC1、E2F和氧化磷酸化途徑更活躍。腫瘤邊緣的基質(zhì)末端，血管生成、蛋白質(zhì)分泌、頂端表面和NOTCH信號(hào)通路更活躍。p-EMT包含與基質(zhì)金屬蛋白酶、層粘連蛋白和整合素等ECM成分相關(guān)的基因，調(diào)節(jié)腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移，在距離< 200 m的邊緣處過表達(dá)。因此得出結(jié)論，腫瘤邊緣是淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的活躍部位�；�質(zhì)末端的CAFs也有助于ECM的形成。

OSCC的GSVA富集分析結(jié)果

 
5. 淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的病例在基質(zhì)末端包含更多的Treg細(xì)胞和癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞

利用Spatial Decon分析OSCC中的癌癥免疫細(xì)胞類型豐度，發(fā)現(xiàn)嗜中性粒細(xì)胞在腫瘤末端更普遍。CD4-T細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、NK細(xì)胞和Treg細(xì)胞在基質(zhì)末端更多。具有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的病例在基質(zhì)末端包含更多的Treg細(xì)胞和成纖維細(xì)胞，CD8+和CD4+記憶細(xì)胞在延伸的距離處更豐富。中間靜止的成纖維細(xì)胞和肌細(xì)胞在腫瘤末端區(qū)域中普遍存在，而CD4+、CD8+和CD8+耗盡的T細(xì)胞在基質(zhì)末端更豐富。中間靜止的成纖維細(xì)胞和肌細(xì)胞在腫瘤末端區(qū)域中普遍存在，而CD4+、CD8+和CD8+耗盡的T細(xì)胞在基質(zhì)末端更豐富。H&E圖像表明嗜中性粒細(xì)胞、CAFs和膠原存在于腫瘤邊緣。Pearson’s 相關(guān)性分析表明FN1 和COL5A1 與基質(zhì)成纖維細(xì)胞呈正相關(guān)。FN1或COL5A1與中性粒細(xì)胞都沒有相關(guān)性。

OSCC腫瘤末端和基質(zhì)末端中的免疫細(xì)胞類型分析

 
03 總結(jié)

本研究通過數(shù)字空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)（DSP）對(duì)23例切除的GB-OSCC腫瘤組織樣本進(jìn)行基因表達(dá)分析，描述了腫瘤與其微環(huán)境（TME）在不同距離的差異基因表達(dá)，并通過去卷積和免疫組化鑒定調(diào)節(jié)TME的細(xì)胞和基因。研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤-基質(zhì)界面（腫瘤與免疫細(xì)胞之間距離達(dá)200微米）是GB-OSCC疾病進(jìn)展中最活躍的區(qū)域。顯著差異表達(dá)的基因，如FN1和COL5A1，位于邊緣的基質(zhì)末端，這些基因與細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的富集、免疫抑制以及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移有關(guān)。中間成纖維細(xì)胞、肌細(xì)胞和中性粒細(xì)胞在腫瘤末端富集，而癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAFs）則在基質(zhì)末端富集。中間成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為CAFs，并遷移到鄰近的基質(zhì)末端，參與了FN1介導(dǎo)的ECM調(diào)節(jié)。該研究充分利用了DSP技術(shù)在空間區(qū)域進(jìn)行基因表達(dá)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，為理解腫瘤的轉(zhuǎn)移機(jī)制提供了新的見解。