題目：Single-nucleus and spatial transcriptome profiling of pancreatic cancer identifies multicellular dynamics associated with neoadjuvant treatment

期刊：Nature genetics（IF=41.307）

導(dǎo)讀

胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）是一種高致死性和難治性癌癥。胰腺癌的分子分型仍處于初級階段。本文選取43粒接受新輔助治療或未接受治療的原發(fā)性PDAC腫瘤標(biāo)本進(jìn)行單核RNA測序和全轉(zhuǎn)錄組數(shù)字空間圖譜（DSP），構(gòu)建了PDAC的細(xì)胞亞型和空間群落的高分辨率分子圖譜，發(fā)現(xiàn)了惡性細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的復(fù)發(fā)性表達(dá)程序。整合空間和細(xì)胞分布圖顯示了三個(gè)多細(xì)胞群落，其對惡性、成纖維細(xì)胞和免疫亞型的貢獻(xiàn)不同：經(jīng)典型、鱗狀基底細(xì)胞型和治療富集型。本研究完善的分子和細(xì)胞分類學(xué)可以為臨床試驗(yàn)中的分層提供框架，并作為針對特定細(xì)胞表型和多細(xì)胞相互作用的治療靶向的路線圖。

主要結(jié)果

1.?冷凍人PDAC腫瘤進(jìn)行單細(xì)胞核測序

從43名接受了手術(shù)切除，并接受了（n=25）或未接受（n=18）新輔助治療的復(fù)發(fā)性PDAC標(biāo)本中收集224,988個(gè)高質(zhì)量snRNA序列，無監(jiān)督聚類確定了33個(gè)細(xì)胞亞群，通過已知基因進(jìn)行注釋，拷貝數(shù)改變（CNA）確認(rèn)惡性細(xì)胞，鑒定到非惡性上皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞、內(nèi)分泌細(xì)胞和多種基質(zhì)細(xì)胞。其中少部分腺泡細(xì)胞（腺泡REG+）表達(dá)高水平的再生家族成員基因，這些基因促胰腺炎癥、腺泡至導(dǎo)管化生（ADM）和胰腺上皮內(nèi)瘤變（PanIN）。

在至少有5名患者的臨床亞組中，接受新輔助治療的惡性細(xì)胞比例顯著降低，與組織學(xué)一致。治療組之間的非惡性細(xì)胞亞群在在數(shù)量和質(zhì)量上存在差異。此外，與未治療和CRT腫瘤相比，CRTL腫瘤中的CD8+ T細(xì)胞表達(dá)更高水平的效應(yīng)功能基因，低表達(dá)靜止和功能障礙基因。這些結(jié)果與氯沙坦介導(dǎo)的腫瘤內(nèi)細(xì)胞毒性T細(xì)胞活性增加一致。

2.?ADM和非典型導(dǎo)管細(xì)胞

在上皮隔室中，部分低CNA核共同表達(dá)導(dǎo)管和腺泡譜系的標(biāo)記物，表明ADM可能在小鼠胰腺腫瘤發(fā)生中起起始作用。與腺泡細(xì)胞相比，ADM細(xì)胞具有更高的HALLMARK_KRAS_SIGNALING_UP信號表達(dá)。此外，一個(gè)導(dǎo)管細(xì)胞亞群高表達(dá)導(dǎo)管和惡性標(biāo)記物，而CNAs沒有升高，將其命名為非典型導(dǎo)管細(xì)胞。非典型導(dǎo)管細(xì)胞具有早在PanIN2/3期表達(dá)的基因，其具有比ADM細(xì)胞更高水平的HALLMARK_KRAS_SIGNALING_UP信號。基于分區(qū)的圖形抽象推斷出從腺泡到ADM到導(dǎo)管到非典型導(dǎo)管到惡性細(xì)胞的主要擬時(shí)間軌跡，與HALLMARK_KRAS_SIGNALING_UP信號單調(diào)增加一致，證實(shí)ADM和非典型導(dǎo)管細(xì)胞作為PDAC腫瘤發(fā)生的相關(guān)中間狀態(tài)。

3.?治療相關(guān)惡性腫瘤和CAF程序表達(dá)

作者使用一致非負(fù)矩陣因子分解（cNMF）從頭學(xué)習(xí)了不同腫瘤的惡性細(xì)胞和CAF的復(fù)發(fā)表達(dá)程序，最終確定了14個(gè)反映細(xì)胞譜系，除了先前報(bào)道的亞型，如myCAFs和惡性分類，本研究還將聚集的基底樣/鱗狀/準(zhǔn)間充質(zhì)亞型劃分為離散的鱗狀、基底樣和間充質(zhì)細(xì)胞；揭示了支持異常分化的內(nèi)分泌和外分泌（ADEX）亞型，并通過原位驗(yàn)證揭示了一個(gè)獨(dú)特的NRP程序。

新輔助治療中惡性和CAF程序表達(dá)在不同患者中具有顯著異質(zhì)性。與未治療組相比，惡性NRP和神經(jīng)內(nèi)分泌樣程序在CRT組明顯更高，而經(jīng)典和鱗狀程序較低。與未治療組相比，新輔助CRTL也顯示出更高的NRP程序表達(dá)，而經(jīng)典的鱗狀和基底樣程序的表達(dá)較低。并且作者通過snRNA-seq，驗(yàn)證了與未治療相比，離體治療的患者衍生器官樣細(xì)胞系中NRP程序增加。

為了評估惡性和CAF的預(yù)后相關(guān)性，研究者對來自TCGA和PanCuRx/ICGC9的未治療、切除的原發(fā)性PDAC患者的bulk RNA數(shù)據(jù)，對疾病進(jìn)展時(shí)間（TTP）和總生存期（OS）進(jìn)行了多變量Cox回歸分析，發(fā)現(xiàn)NRP和鱗狀細(xì)胞程序與較短的TTP相關(guān)，而經(jīng)典和免疫調(diào)節(jié)程序與較長的TTP有關(guān)。對于OS，年齡和粘附性CAF程序與較短的生存期相關(guān)，而經(jīng)典程序與較長的生存期有關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)與神經(jīng)元亞型與膀胱癌不良預(yù)后之間的關(guān)聯(lián)一致。

4. 將細(xì)胞類型和程序映射到腫瘤結(jié)構(gòu)

為了解釋細(xì)胞和表達(dá)程序在多細(xì)胞群體中的空間結(jié)構(gòu)，作者使用NanoString GeoMx人類全轉(zhuǎn)錄組圖譜進(jìn)行了空間全轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，獲得了切片上每個(gè)感興趣區(qū)域（ROI）的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，并將空轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)與snRNA序列細(xì)胞類型特征反卷積，將每個(gè)惡性和CAF程序的表達(dá)映射到ROI上，結(jié)果顯示NRP和神經(jīng)內(nèi)分泌樣惡性程序更加富集于CRT的ROI中，與snRNA分析一致。

為了識別多細(xì)胞空間關(guān)聯(lián)，研究者將ROI中的每對特征關(guān)聯(lián)起來，以產(chǎn)生惡性譜系程序、CAF程序、免疫細(xì)胞類型的比例以及惡性、成纖維細(xì)胞和免疫段占據(jù)的ROI面積百分比的空間協(xié)變矩陣。無監(jiān)督聚類確定了三個(gè)具有不同惡性、基質(zhì)和免疫特征的多細(xì)胞群落。群落1（治療富集）的特點(diǎn)是NRP與神經(jīng)內(nèi)分泌樣惡性程序、嗜神經(jīng)性CAF程序和CD8+T細(xì)胞之間的關(guān)聯(lián)，這些都富含snRNA-seq治療，以及間充質(zhì)和腺泡惡性程序和免疫調(diào)節(jié)CAF程序。群落2（鱗狀細(xì)胞-基底細(xì)胞樣）的特點(diǎn)是鱗狀細(xì)胞樣和基底細(xì)胞樣惡性程序與多種淋巴和骨髓細(xì)胞類型、較高的上皮細(xì)胞和免疫含量以及較低的CAF含量相關(guān)。簇3（經(jīng)典）表現(xiàn)出經(jīng)典惡性程序、肌纖維母細(xì)胞祖細(xì)胞和粘附CAF程序、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和cDC2之間的關(guān)聯(lián)，以及更高的CAF和更低的免疫比例。snRNA-seq數(shù)據(jù)中患者級別特征的聚類概括了其中一些關(guān)聯(lián)。

參考文章：

1. Hwang WL, Jagadeesh KA, Guo JA, et al. Single-nucleus and spatial transcriptome profiling of pancreatic cancer identifies multicellular dynamics associated with neoadjuvant treatment. Nat Genet. 2022;54(8):1178-1191. doi:10.1038/s41588-022-01134-8