口腔鱗狀細(xì)胞癌(Oral squamous cell carcinoma, OSCC)是最常見(jiàn)的頭頸部癌癥，HPV(-) OSCC主要誘因是煙草和酒精，其侵襲和轉(zhuǎn)移機(jī)制尚不清楚，預(yù)后效果差。2023年7月加拿大卡爾加里大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在Nature Communications（IF 16.6）發(fā)表題為“Spatial transcriptomics reveals distinct and conserved tumor core and edge architectures that predict survival and targeted therapy response”的研究，通過(guò)對(duì)HPV(-)OSCC進(jìn)行了單細(xì)胞和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，全面表征腫瘤核心(TC)和邊緣(LE)轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)中的惡性細(xì)胞，提供了對(duì)TC和LE生物學(xué)和交互式空間地圖集的泛癌見(jiàn)解，為開(kāi)發(fā)新的靶向治療奠定基礎(chǔ)。

?研究材料

10個(gè)HPV(-)OSCC患者新鮮冷凍組織

?技術(shù)路線

步驟1：收集病人樣本進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組實(shí)驗(yàn)；

步驟2：將空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)合并分析，劃分TC和LE spot群；

步驟3：TC和LE特征分析，腫瘤模型評(píng)估，預(yù)測(cè)OSCC治療靶點(diǎn)。

?研究結(jié)果

1. OSCC樣品的ST分析和細(xì)胞反褶積

10名患者的12份新鮮冷凍的OSCC樣本進(jìn)行了ST檢測(cè)，把ST數(shù)據(jù)和HNSCC scRNA-seq數(shù)據(jù)集進(jìn)行綜合分析，確定了病理標(biāo)記的鱗狀細(xì)胞癌區(qū)域中存在的惡性腫瘤細(xì)胞和其他細(xì)胞亞群的組成。為了識(shí)別惡性腫瘤點(diǎn)，將惡性細(xì)胞定性為具有反卷積評(píng)分>0.99或CNV概率評(píng)分>0.99。CNV分析顯示3號(hào)染色體出現(xiàn)反復(fù)缺失，9號(hào)染色體出現(xiàn)擴(kuò)增。根據(jù)應(yīng)用的高置信度截?cái)啵?2個(gè)樣本均為空間反卷積或CNV推斷的癌細(xì)胞，結(jié)果產(chǎn)生13950個(gè)惡性spot和10852個(gè)非惡性spot。

2. 無(wú)監(jiān)督聚類(lèi)揭示了TC和LE在腫瘤微環(huán)境中的功能異構(gòu)

惡性spot分3個(gè)主要簇，通過(guò)差異基因表達(dá)分析(DGEA)，在cluster1中富集DEGs包括參與角化SPRR2D、SPRR2E、SPRR2A和EMT DEFB4A和LCN2抑制的基因，而在cluster3中富集DEGs包括參與ECM基質(zhì)COL1A1、FN1、COL1A2、TIMP1、COL6A2基因。在cluster2中富集DEGs具有cluster 1和3共同屬性。將cluster 1注釋為“腫瘤核心”(TC)，將cluster 3注釋為“邊緣”(LE)。cluster2注釋為“臨時(shí)”。每個(gè)患者的TC和LE表達(dá)相關(guān)性相對(duì)較低，突出其腫瘤微環(huán)境中的異質(zhì)性。LE高表達(dá)與細(xì)胞周期、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT) 、血管新生相關(guān)的基因，在TC中上調(diào)的細(xì)胞功能標(biāo)志包括角化、細(xì)胞分化及抗菌和免疫相關(guān)途徑，而在LE中上調(diào)的是蛋白質(zhì)翻譯和核糖體相關(guān)途徑，Ingenuity Pathway Analysis（IPA)預(yù)測(cè)了GP6、EIF2和HOTAIR調(diào)節(jié)規(guī)范信號(hào)通路在LE中激活，可能反映了OSCC的 LE在調(diào)控侵襲性和轉(zhuǎn)移性行為中的作用。在TC中，觀察到巨噬細(xì)胞、IL-33和p38 MAPK經(jīng)典信號(hào)通路中MSPRON信號(hào)的激活，OSCC基因可調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境中的免疫反應(yīng)。利用單細(xì)胞調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)推理與聚類(lèi)(SCENIC)來(lái)推斷轉(zhuǎn)錄因子(TF)活性，在TC中發(fā)現(xiàn)幾種原致癌TF和腫瘤抑制因子上調(diào)。在LE中觀察到包括細(xì)胞發(fā)育和分化調(diào)節(jié)、EMT調(diào)控基因上調(diào)，突出了纖維血管壁龕的存在。

3. 在TC和LE癌細(xì)胞的不同狀態(tài)及不同的配體-受體相互作用

癌癥干細(xì)胞(CSCs)是一種具有干細(xì)胞樣祖細(xì)胞和惡性特性的癌細(xì)胞。CSC標(biāo)記物表達(dá)在UMAP投影中均勻可見(jiàn)，表明在整個(gè)OSCC腫瘤中及非干細(xì)胞樣惡性細(xì)胞都存在CSC。TC和LE的不同生物學(xué)特征可以通過(guò)獨(dú)特的癌細(xì)胞狀態(tài)來(lái)解釋?zhuān)从商囟[瘤微環(huán)境相互作用動(dòng)態(tài)表現(xiàn)的保守基因表達(dá)程序，包括CSC和非干細(xì)胞樣惡性細(xì)胞，證實(shí)了LE中高表達(dá)間充質(zhì)樣CSC狀態(tài) (p<0.001)，TC高表達(dá)上皮樣CSC狀態(tài)(p<0.001)。免疫熒光進(jìn)一步驗(yàn)證了CSC狀態(tài)定位，加強(qiáng)了TC和LE生態(tài)位的可塑性，促進(jìn)了轉(zhuǎn)錄獨(dú)特的癌細(xì)胞狀態(tài)的擴(kuò)散。TC-TC信號(hào)傳導(dǎo)通過(guò)DSC2-DSG1和ANGPTL4-SDC1等，涉及癌癥轉(zhuǎn)移的主要途徑。LE-LE通過(guò)LAMB3- ITGA6_ITGB4和LAMB3-ITGA6_ITGB1以及炎癥配體受體對(duì)MIF-CD74_CD44（已被鑒定為啟動(dòng)致癌信號(hào)通路）發(fā)出信號(hào)。TC鄰近大量的巨噬細(xì)胞，并一起參與黏附橋粒和鈣粘蛋白(CDH)信號(hào)通路，巨噬細(xì)胞和細(xì)胞毒性CD8(+) T細(xì)胞也參與了LE和ECM的細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)。myCAF細(xì)胞類(lèi)型與LE的通訊相比較LE-LE、TC-TC凸出，通過(guò)層粘連蛋白和膠原信號(hào)通路，突出了其在癌癥信號(hào)傳導(dǎo)中的突出作用。綜上所述，TC和LE中的惡性細(xì)胞參與不同的細(xì)胞間通訊模式，進(jìn)一步塑造了它們獨(dú)特的生物學(xué)特性。

4. TC和LE基因特征在癌癥中是保守的，但對(duì)預(yù)后的影響不同

對(duì)TC spot、LE spot和其他剩余spot訓(xùn)練了三個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)概率的預(yù)測(cè)模型，以生成一個(gè)空間-區(qū)域預(yù)測(cè)模型。將ML模型應(yīng)用于17種不同癌癥類(lèi)型，將每個(gè)樣本中的每個(gè)斑點(diǎn)描述為“TC”，“LE”，“暫時(shí)”或“其他spot”。在黑色素瘤(SKCM)、結(jié)直腸腺癌(COAD)、皮膚鱗狀細(xì)胞癌(cSCC)樣本和宮頸鱗狀細(xì)胞癌(CESC)樣本的癌細(xì)胞狀態(tài)空間分離方面表現(xiàn)良好，這可能歸因于這些癌癥中存在角化程序；結(jié)果表明，LE相關(guān)的表達(dá)狀態(tài)在多種癌癥背景下是保守的，與TC相關(guān)的表達(dá)譜更具組織特異性。

LE狀態(tài)在不同的癌癥類(lèi)型中具有普遍性，引用TCGA中20個(gè)常見(jiàn)的實(shí)體腫瘤確定LE特征對(duì)預(yù)后的影響，在多種癌癥中，除了乳腺癌(BRCA)的總生存期(OS)和肺鱗狀細(xì)胞癌(LUSC)的疾病特異性生存期(DSS)之外，高LE評(píng)分始終與更差的OS和DSS相關(guān)。而較高的LE特征評(píng)分與任何臨床特征無(wú)關(guān)，表明除了CAF外，還有其他未知機(jī)制驅(qū)動(dòng)與LE相關(guān)的生存結(jié)果。

5. 通過(guò)分析TC和LE之間的RNA剪接動(dòng)力學(xué)揭示分化軌跡

在空間反卷積的癌細(xì)胞聚集在所有樣本中，通過(guò)RNA速度分析發(fā)現(xiàn)這些空間上獨(dú)特的癌癥狀態(tài)是由一個(gè)分化層次控制的，這個(gè)分化層次由TC的祖細(xì)胞樣癌細(xì)胞狀態(tài)發(fā)展到LE的更特化的癌細(xì)胞狀態(tài)組成。TC狀態(tài)的癌細(xì)胞可以通過(guò)逐漸獲得更具侵略性的EMT樣表型轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)E狀態(tài)，從而促進(jìn)癌癥的侵襲和傳播。多項(xiàng)研究已經(jīng)描述了轉(zhuǎn)錄獨(dú)特的癌細(xì)胞狀態(tài)的存在，本研究表明，這些狀態(tài)也受到空間調(diào)控。

6. 獲得OSCC的治療靶點(diǎn)

將RNA速度應(yīng)用于ST數(shù)據(jù)以預(yù)測(cè)藥物反應(yīng)。有效的藥物(高AAC值)通常被用于誘導(dǎo)LE狀態(tài)逆轉(zhuǎn)的外向轉(zhuǎn)變概率，突出了LE作為全局治療靶點(diǎn)的重要性。一些藥物可能通過(guò)誘導(dǎo)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)化為T(mén)C狀態(tài)來(lái)進(jìn)一步賦予其功效。假設(shè)有效的抗癌藥物指導(dǎo)從LE狀態(tài)向TC狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而通過(guò)抑制侵襲性/轉(zhuǎn)移性信號(hào)使這些細(xì)胞的表型不那么具有攻擊性。Alvocidib是一種CDK抑制劑，正在研究其在急性髓系淋巴瘤(AML)中的應(yīng)用，在本分析中顯示出高于平均水平的外向LE和傳入TC的短暫信號(hào)，Alvocidib可能是待研究的候選藥物。

?小編小結(jié)

腫瘤內(nèi)異質(zhì)性是癌癥患者治療失敗和預(yù)后不良的主要決定因素，但腫瘤微環(huán)境異質(zhì)性的空間基礎(chǔ)尚不清楚。雖然有報(bào)導(dǎo)TC和LE深刻地影響腫瘤生物學(xué)，但這些隔室基因表達(dá)譜及其對(duì)腫瘤微環(huán)境的影響尚未進(jìn)行系統(tǒng)的探索。本研究旨在描述和揭示TC和LE之間獨(dú)特的基因表達(dá)空間模式，更好地了解癌癥侵襲和轉(zhuǎn)移的保守特征，并指導(dǎo)后續(xù)針對(duì)LE癌癥治療工作，時(shí)空機(jī)制見(jiàn)解將有助于指導(dǎo)OSCC及其他領(lǐng)域改進(jìn)靶向治療的發(fā)展。

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