影響因子：16.6

研究概述：腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜性給癌癥治療帶來了巨大挑戰(zhàn)齐鲤。在這項(xiàng)研究中斥废，為了全面研究腫瘤-正常生態(tài)系統(tǒng)，作者結(jié)合了泛癌 137 空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)给郊、8887 TCGA 和 1261 個(gè)檢查點(diǎn)抑制劑處理過的腫瘤牡肉，對來自 1070 個(gè)腫瘤樣本和 493 個(gè)正常樣本的 490 萬個(gè)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了綜合分析，定義了構(gòu)成腫瘤-正常生態(tài)系統(tǒng)的多種細(xì)胞狀態(tài)并構(gòu)建了圖譜淆九。這份圖譜描述了以 AKR1C1 或 WNT5A 為標(biāo)志的炎性成纖維細(xì)胞在細(xì)胞相互作用和空間共定位模式方面的區(qū)別统锤，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)干擾素通路富集的細(xì)胞亞群，并通過泛癌免疫治療隊(duì)列與作者單位的肺癌免疫治療隊(duì)列驗(yàn)證了其對免疫治療反應(yīng)的預(yù)測能力炭庙。這項(xiàng)腫瘤-正常生態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析加深了對腫瘤間和腫瘤內(nèi)異質(zhì)性的理解饲窿。

研究結(jié)果：

構(gòu)建泛癌癥腫瘤-正常單細(xì)胞meta圖譜

圖1 單細(xì)胞分辨率下的泛癌癥腫瘤-正常圖譜

為了對腫瘤和正常生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，作者構(gòu)建了一個(gè)腫瘤-正常單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜焕蹄，涵蓋了 30 種不同癌癥類型的 104 個(gè)數(shù)據(jù)集逾雄，經(jīng)過數(shù)據(jù)整理后，該圖譜涵蓋了來自 1070 個(gè)腫瘤和 493 個(gè)正常樣本的 490 萬個(gè)細(xì)胞（圖 1A），其中乳腺癌（BRCA）是最多的癌癥類型嘲驾，其次是肺癌（LC）淌哟，頭頸癌（HNSC）和肝細(xì)胞癌（HCC），圖1B-D是對細(xì)胞類型進(jìn)行的初步注釋辽故。圖1E是本研究涉及到的其他分析概覽徒仓，作者先后對整合的數(shù)據(jù)集去除了雙細(xì)胞等，最終的 UMAP 圖展示了多個(gè)樣本中反復(fù)出現(xiàn)的細(xì)胞狀態(tài)的整體結(jié)構(gòu)誊垢，同時(shí)得到了細(xì)胞狀態(tài)特征（signature）用于將單細(xì)胞所得關(guān)聯(lián)到bulk轉(zhuǎn)錄組的免疫治療隊(duì)列掉弛，并且將得到的圖譜投射到新的單細(xì)胞數(shù)據(jù)集以及空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集，證明了圖譜的推廣能力喂走。

確定腫瘤-正常生態(tài)系統(tǒng)的通用標(biāo)志基因特征

圖2 各器官組織生態(tài)系統(tǒng)標(biāo)志基因的分布情況

作者采用了一種 AND-gating算法系統(tǒng)地描述腫瘤中與正常組織相比反復(fù)失調(diào)的標(biāo)志基因殃饿。對于 CD8+ T 細(xì)胞，共刺激分子（CD27）和免疫檢查點(diǎn)或衰竭標(biāo)志物如 CXCL13芋肠、PDCD1乎芳、TIGIT、CTLA4帖池、LAG3 和 TNFRSF9 在腫瘤中普遍升高奈惑，而 IL7R、PTGER2 和 PTGER4 在正常組織中升高（圖 2A睡汹，B）肴甸。腫瘤中的 Tregs 上調(diào)具有調(diào)控功能的基因，如 RBPJ囚巴、CXCR3 和 ZBED2原在，而正常組織中的 Tregs 上調(diào) CCR7 和 CXCR5，表明免疫細(xì)胞招募和浸潤的機(jī)制不同（圖 2A彤叉，B）庶柿。GO分析表明，腫瘤浸潤巨噬細(xì)胞秽浇、樹突狀細(xì)胞和 CD8+ T 細(xì)胞中上調(diào)的基因富集于相關(guān)的功能和通路澳泵，包括對病毒的防御反應(yīng)、對 II 型干擾素的反應(yīng)兼呵、炎癥反應(yīng)兔辅、淋巴細(xì)胞的趨化和細(xì)胞因子介導(dǎo)的信號通路（圖 2C）。腫瘤細(xì)胞普遍表現(xiàn)出蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶活性（PRKCA击喂、GSK3B和CAMKK2）维苔、糖酵解（PLOD1、EGLN3和P4HA1）懂昂、mTORC1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（SLC2A1介时、GMPS和PDK1）以及與細(xì)胞周期過程正向調(diào)控相關(guān)的GO通路（E2F7、E2F8和KIF23；圖2C）沸柔。癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAF）表達(dá)包括 FAP循衰、COL1A1、COL10A1褐澎、MMP11 和 CTHRC1的公認(rèn)標(biāo)志物会钝。腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞上調(diào)血管生成相關(guān)基因，包括 CHST1工三、FOLH1 和 MMP15迁酸。腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞都富集了與細(xì)胞外基質(zhì)組織、細(xì)胞遷移調(diào)控俭正、細(xì)胞-基質(zhì)粘附等通路（圖 2C）奸鬓。

將腫瘤-正常生態(tài)系統(tǒng)去卷積為異質(zhì)細(xì)胞狀態(tài)

圖3 將腫瘤-正常生態(tài)系統(tǒng)解構(gòu)為異質(zhì)細(xì)胞狀態(tài)

隨后作者解析了髓系細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞的不同狀態(tài)（圖3A,C），并相應(yīng)地將其歸屬為能反映細(xì)胞狀態(tài)的細(xì)胞類型（圖3B,D）掸读，補(bǔ)充材料中包含了對上皮細(xì)胞串远，神經(jīng)細(xì)胞等的狀態(tài)和亞群劃分結(jié)果。這些不同的細(xì)胞狀態(tài)共同參與形成了復(fù)雜的腫瘤生態(tài)系統(tǒng)（圖 3E, F）儿惫。例如澡罚，在腫瘤中，上皮細(xì)胞的 T 細(xì)胞排斥程序與 Treg 狀態(tài)密切相關(guān)姥闪，促進(jìn)了免疫逃逸和腫瘤進(jìn)展∑鏊福基底鱗狀細(xì)胞狀態(tài)與腫瘤組織中的炎癥狀態(tài)（如 CXCL9+ 巨噬細(xì)胞筐喳、LAMP3+ DC 和間質(zhì)衍生干擾素狀態(tài)）完全吻合，這表明基底鱗狀細(xì)胞起源的癌癥類型（HNSC 和皮膚鱗狀細(xì)胞癌）具有觸發(fā)免疫細(xì)胞浸潤的內(nèi)在特征函喉。

AKR1C1 + 和 WNT5A + 炎癥成纖維細(xì)胞作為不同亞型的表征

成纖維細(xì)胞是一個(gè)高度異質(zhì)性的群體避归，具有膠原沉積、血管生成和細(xì)胞因子分泌等多種功能管呵，在形成腫瘤微環(huán)境中發(fā)揮著核心作用梳毙，但在以往的泛癌癥研究中尚未廣泛探討炎性成纖維細(xì)胞的多樣性。在該研究的圖譜中捐下，作者發(fā)現(xiàn)了多種顯示免疫相關(guān)基因表達(dá)的成纖維細(xì)胞亞型（圖 4A）账锹，作者進(jìn)一步關(guān)注到了 AKR1C1+ 和 WNT5A+ 表達(dá)的炎性成纖維細(xì)胞之間的區(qū)別，它們都與 PRR 誘導(dǎo)的活化狀態(tài)相吻合坷襟，并具有相似的細(xì)胞因子基因表達(dá)（CXCL1/3/8奸柬，圖 4A），而在標(biāo)記基因（AKR1C1婴程、FOSL1廓奕、LIF 和 THAP2 與 WNT5A、GREM1、TNC 和 MMP1）桌粉、組織來源（正常與腫瘤）和器官偏好方面存在明顯差異（圖 3E蒸绩、4A、B）铃肯，隨后作者在不同癌癥及其正常單細(xì)胞數(shù)據(jù)中進(jìn)一步證實(shí)了這兩種狀態(tài)的存在（圖4C）患亿。

為了深入了解這些炎性成纖維細(xì)胞如何塑造 TME，作者進(jìn)行了細(xì)胞通訊分析缘薛，以揭示 AKR1C1+ 和 WNT5A+ 炎性成纖維細(xì)胞與 BRCA窍育、CRC、HNSC 和 OV 樣本中其他細(xì)胞類型的獨(dú)特相互作用（圖 4D）宴胧，發(fā)現(xiàn)WNT5A+ 炎性成纖維細(xì)胞會分泌多種配體漱抓，如 WNT5A、GREM1 和 IL24恕齐，在組織再生乞娄、炎癥和癌癥等多種情況下促進(jìn)增殖、遷移和存活显歧，它們與癌細(xì)胞仪或、成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞等多種細(xì)胞成分相互作用，最終形成促腫瘤生成和核心炎癥的 TME士骤，隨后作者使用多重免疫熒光定位和驗(yàn)證了 WNT5A+ 炎性成纖維細(xì)胞群的存在（圖 4E）范删。為了進(jìn)一步研究這兩種炎性成纖維細(xì)胞的共定位模式，作者分析了多種癌癥的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)拷肌，發(fā)現(xiàn)AKR1C1+ 炎性成纖維細(xì)胞與癌細(xì)胞到旦、中性粒細(xì)胞、CTSK+ 巨噬細(xì)胞巨缘、DC1 和 PRR 誘導(dǎo)的 mo-DC 顯著共定位（圖 4F添忘、G），而WNT5A+ 炎性成纖維細(xì)胞與去瘤纖維細(xì)胞若锁、衰竭的 CD8+ T 細(xì)胞搁骑、Treg、DC1 和 PRR 誘導(dǎo)的 mo-DC 顯著共定位又固，突顯了其在形成免疫抑制性 TME 中的作用（圖 4F仲器、G）⊙龉冢總之娄周，雖然兩種炎性成纖維細(xì)胞都表達(dá) CXCL1/3/8，但它們對器官/組織的偏好沪停、細(xì)胞相互作用模式以及與其他細(xì)胞類型的空間親緣關(guān)系各不相同煤辨，這表明它們在形成具有免疫侵襲性和致癌作用的 TME 中扮演著不同的角色裳涛。

腫瘤特異性干擾素富集和促腫瘤群落的重新排布

這一部分作者構(gòu)建了一個(gè)細(xì)胞狀態(tài)共現(xiàn)的無向網(wǎng)絡(luò)，并在腫瘤众辨、鄰近正常組織和正常組織中發(fā)現(xiàn)了不同的網(wǎng)絡(luò)群落（圖 5A-C）端三。值得注意的是，一個(gè)腫瘤生態(tài)系統(tǒng)被腫瘤內(nèi)各種細(xì)胞類型的干擾素狀態(tài)明顯占據(jù)（干擾素富集群落鹃彻，圖 5A）郊闯，該群落還包含 TLS 的知名成分（LAMP3+ DC、CCL19+ 成纖維細(xì)胞和 Tfh）蛛株、特殊 DC 和巨噬細(xì)胞（DC1团赁、pDC 和 CXCL9+ 巨噬細(xì)胞）以及抗原遞呈機(jī)制狀態(tài)。與此相反谨履，干擾素豐富群體中的幾種免疫細(xì)胞狀態(tài)分散在健康正常網(wǎng)絡(luò)中（圖 5B）欢摄。有趣的是，在鄰近的正常網(wǎng)絡(luò)中笋粟，LAMP3+ DC 與干擾素豐富群落中的其他免疫細(xì)胞狀態(tài)（DC1怀挠、pDC、朗格漢斯細(xì)胞和 Tfh）相鄰（圖 5C）害捕，這意味著與健康的正常組織相比绿淋，鄰近的正常組織中甚至存在不同的細(xì)胞生態(tài)系統(tǒng)配置。

在確定了腫瘤尝盼、鄰近正常組織和健康正常組織中富含干擾素和親腫瘤性群落的多樣性和動態(tài)之后吞滞，作者利用這些細(xì)胞狀態(tài)的signature來解構(gòu)泛癌免疫治療隊(duì)列中的bulk轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)（圖5D）。二分類的meta分析支持了多種細(xì)胞狀態(tài)對免疫治療反應(yīng)的預(yù)測能力盾沫，（圖 5E）裁赠，而具有顯著預(yù)測能力的細(xì)胞狀態(tài)大多是干擾素富集亞群的組成部分。

利用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)系統(tǒng)地研究多種癌癥類型的腫瘤生態(tài)系統(tǒng)

為了研究腫瘤生態(tài)系統(tǒng)的空間組織疮跑，作者對 11 種不同癌癥類型（n = 137组贺，圖 6A）的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析凸舵。首先祖娘，作者利用了 RCC 空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，啊奄，通過對TLS斑點(diǎn)和非TLS斑點(diǎn)進(jìn)行差異表達(dá)分析渐苏，得到了一個(gè)能有效區(qū)分TLS斑點(diǎn)和非TLS斑點(diǎn)的TLS特征（圖6B），這個(gè)TLS特征還可預(yù)測免疫治療反應(yīng)（圖 6C）菇夸。此外琼富，作者還利用 cell2location 對每個(gè)空間點(diǎn)的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜進(jìn)行了解構(gòu)，并比較了 TLS 點(diǎn)和非 TLS 點(diǎn)的細(xì)胞類型豐度庄新，由此確定了在 TLS 中明顯富集的細(xì)胞類型鞠眉，包括 Treg薯鼠、漿細(xì)胞、CD16+/XCL1+ NK 細(xì)胞械蹋、Tfh出皇、LAMP3+ DC、CCL19+ 成纖維細(xì)胞和 ILC3（圖 6D哗戈，E）郊艘。

總結(jié)

這項(xiàng)研究構(gòu)建了一個(gè)廣泛的圖譜，將單細(xì)胞唯咬、空間和免疫療法處理過的bulk轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集結(jié)合起來纱注，系統(tǒng)地比較不同器官的腫瘤和正常生態(tài)系統(tǒng)，從而得以揭示腫瘤-正常生態(tài)系統(tǒng)的標(biāo)志性基因特征胆胰，勾勒出 AKR1C1+ 和 WNT5A+ 炎性成纖維細(xì)胞之間的區(qū)別狞贱，并描述了免疫療法有利成分中 TLS 富集和非富集細(xì)胞類型的特征。研究中展示的泛癌癥腫瘤-正常單細(xì)胞元圖譜將為深入了解腫瘤-正常生態(tài)系統(tǒng)提供重要見解煮剧，并為未來的精準(zhǔn)腫瘤學(xué)研究奠定基礎(chǔ)斥滤。