晚期非小細胞肺癌腫瘤異質性和微環境的單細胞分析

2021年10月06日22:31:02 科學 1140


晚期非小細胞肺癌腫瘤異質性和微環境的單細胞分析 - 天天要聞

文章信息

題目:Single-cell profiling of tumor heterogeneity and the microenvironment in advanced non-small cell lung cancer期刊:Nature Communication(IF:12)日期:2021年5月DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-22801-0

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總覽

肺癌是一種高度異質性的疾病。癌細胞和腫瘤微環境中的細胞共同決定了疾病的進展,以及對治療的反應或逃避。作者為了繪製晚期非小細胞肺癌 (NSCLC) 中癌細胞的細胞類型特異性轉錄組圖譜及其腫瘤微環境,通過單細胞 RNA 測序分析了來自 III/IV 期 NSCLC 患者的 42 個組織活檢樣本,呈現了晚期非小細胞肺癌的單細胞解析度條件下的情況。除了先前早期肺癌單細胞研究中描述的細胞類型外,作者還識別了腫瘤中的罕見細胞類型,如濾泡樹突細胞和 T 輔助 17 細胞。來自不同患者的腫瘤在細胞組成、染色體結構、發育軌跡、細胞間信號網路和表型優勢方面表現出很大的異質性。作者的研究還揭示了腫瘤異質性與腫瘤相關中性粒細胞的相關性,有助於闡明它們在 NSCLC 中的功能。

樣本信息

收集42名晚期(III/IV期)NSCLC的原發灶,癌症種類及是否吸煙等信息如圖。

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單細胞測序技術

微流控晶元(具體見原文)

分析細胞數量

經過多個質量控制和過濾步驟,總共分析了 90,406 個細胞的轉錄組。

主要單細胞分析結果

晚期NSCLC細胞圖譜

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左上圖顯示了鑒定出的細胞類型,包括癌細胞、髓系細胞、成纖維細胞T細胞B細胞、 中性粒細胞、肺泡細胞、上皮細胞、內皮細胞、肥大細胞以及濾泡樹突狀細胞。左下圖顯示不同患者的非腫瘤細胞傾向於聚類在一起,而癌細胞具有患者異質性。右邊兩張圖顯示了標誌基因熱圖以及細胞亞群所佔百分比。

肺鱗癌肺腺癌具有更高的瘤間和瘤內異質性

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42 名患者的CNA 譜顯示出患者間和患者內的異質性(a)。對於肺腺癌(LUAD)患者,在 7 號和 8q 號染色體中發現了顯著的臂水平插入,在 10 號染色體中發現了缺失。值得注意的是,具有已知驅動突變的肺腺癌在 1q 和 5p 臂中有額外的擴增。相比之下,肺鱗癌(LUSC)患者大多有 3q 插入和 5q 缺失。有趣的是,一些沒有驅動突變的肺腺癌患者具有與肺鱗癌相似的 CNA 譜。儘管癌細胞轉錄組的表達譜和組成在很大程度上是患者特異性的,但一些患者的癌細胞比其他患者更相似(b)。在大多數情況下,來自肺腺癌和肺鱗癌患者的癌細胞分成不同的簇。超過一半的肺腺癌患者聚集為一組,而大多數肺鱗癌腫瘤形成患者特異性簇,表明 LUSC 的腫瘤間差異高於肺腺癌。大多數患者,尤其是肺腺癌患者,例如 P16、P20 和 P32,具有顯性克隆,而在少數肺鱗癌(例如 P27 和 P37)中,惡性細胞擴散到多個簇中。

為了量化腫瘤內異質性,作者定義了基於 CNA 和基於表達的腫瘤內異質性評分,表示為 ITHCNA 和 ITHGEX。作者觀察到腫瘤內不同程度的異質性。ITHCNA 和 ITHGEX 顯示出中等相關性(圖d),可能是由於非驅動基因組改變或微環境形成的腫瘤表型。作者進一步根據癌症類型和突變將患者分為三組:具有驅動突變的 LUAD 患者(n = 12),表示為 LUADm,無驅動突變的 LUAD 患者(n = 6),表示為 LUADn,以及無驅動突變的 LUSC 患者突變(n = 16),表示為 LUSCn。有趣的是,與 LUADm 患者相比,LUSCn 患者具有顯著更高的 ITHCNA,而在 ITHGEX 方面沒有統計學意義(e)。這一發現還表明,具有驅動突變的患者可能會受到基因組改變以外的表型影響。

肺上皮細胞的可塑性及其向惡性腫瘤細胞的發育軌跡

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這一部分是擬時序分析。所有鑒定的肺泡細胞均表達2型肺泡細胞 (AT2) 的典型標誌物 (CLDN18、SFTPA1、SFTPC),但不表達1型肺泡細胞標誌物 (CAV1、AGER)。進一步的聚類分析揭示了兩個不同的 AT2 細胞簇,表示為 AT2-1和AT2-2(a)。AT2-2類似於正常的 AT2 表型,具有常見的 AT2 標記 SFTPA 和轉運蛋白 ABCA3 上調(b)。相比之下,AT2-1 表達細胞增殖和細胞遷移相關基因,如 CEACAM6、KITLG 和 FOXC1,暗示向惡性腫瘤的表型變化。上皮細胞可進一步分為纖毛上皮細胞、棒狀細胞和基底細胞(c、d)。

以前的研究表明,AT2 細胞和club細胞都可以發育成 LUAD 細胞,而基底細胞和club細胞是 LUSC的潛在祖細胞。因此,作者根據它們的發育軌跡組織了 AT2 細胞、俱樂部club細胞和 LUAD 癌細胞(e)。推斷的擬時間路徑顯示 AT2 細胞和club細胞獨立地轉變為 LUAD 腫瘤。相比之下,基底細胞似乎充當棒狀細胞和 LUSC 腫瘤細胞之間的過渡狀態(f)。除了這些不同的特徵外,我們發現一些患者的腫瘤細胞在分支的末端緊密聚集,這意味著同質和終末表型,而其他患者則具有更多樣和異質的特徵,沿著癌症發展軌跡擴散。

Th17 樣細胞及其與 Tregs 的潛在互變

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在腫瘤浸潤性T細胞中,作者鑒定到了 CD4+ naïve T cells, CD4+ Tregs, CD4+ T helper 17-like T cells (Th17-like), CD8+ effector T cells, CD8+ exhausted T cells, 和Natural Killer (NK) cells (a),T細胞亞型通過基於先前研究的 T 亞型表達譜的監督細胞類型注釋確認(a)。為了進一步表徵兩個 NK 簇(CD3D-、KLRD1+、NKG7+),作者將 CD16+(FCGR3A)簇稱為 NK-1,將 CD16-簇稱為 NK-2(圖 4b)。NK-1 包含編碼上調的轉錄本fractalkine 受體 (CX3CR1) 和成纖維細胞生長因子結合蛋白 2 (FGFBP2),兩者都參與淋巴細胞的細胞毒功能。NK-2 具有更高的組織駐留標誌物表達,如 CD49a (ITGA1)、CD103 (ITGAE) 和 ZNF683。包括 CTLA4 和 TIGIT 在內的共抑制免疫檢查點富含 CD4+ Treg 和 CD8+ 耗盡的 T 細胞(c)。然而,LAG3 主要在 CD8+ 耗竭的 T 細胞中表達,這與之前的研究結果一致。

然後,作者使用 Slingshot18 和 Monocle19 對 CD4+ T 細胞進行軌跡分析,以確定它們在 TME 內的發育途徑。Slingshot 揭示了 Tregs 和 Th17 樣細胞之間的過渡關係,起源於幼稚細胞(d)。Monocle 發現,幼稚細胞分化為兩個主要分支,Tregs 和增殖群體(e,f)。有趣的是,通過其主轉錄因子 RORC 的表達證實的 Th17 樣細胞顯示出沿從幼稚細胞到 Treg 的發育途徑傳播的過渡表型(f)。作者介紹,以 KLRB120 基因高表達為標誌的 CD4+ Th17 樣細胞群是通過 scRNA-seq 在 NSCLC 腫瘤環境中鑒定出的 Th17 樣細胞的第一份報告。文獻中有報道,天然 Tregs (nTregs),Tregs 的一個子集,被認為與 Th17 樣細胞相互轉化。這一結果揭示了 Tregs 和 Th17 樣細胞之間複雜而微妙的相互作用,並強調了它們在對腫瘤抗原的適應性免疫反應中平衡的重要性。

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