项目文章丨单细胞转录组图谱揭示了人类脊索瘤的肿瘤内异质性

2022年初首都医科大学宣武医院神经外科陈赞团队和中国国际神经科学研究所实验室在 Cancer Immunol Immunother 发表论文，利用单细胞转录组测序描绘了脊索瘤的转录组学景观。该研究旨在评估脊索瘤的肿瘤异质性并确定其潜在治疗靶点。该研究中的单细胞转录组测序服务由博奥晶典提供。

【发表期刊】Cancer Immunol Immunother

【发布时间】2022年1月

【影响因子】6.968

【检测技术】10x Genomics 单细胞转录组测序

研究背景

脊索瘤是一种罕见的、侵袭性的和局部侵袭性骨肿瘤。脊索瘤分子靶向治疗（MTT）的临床研究已经确定了一些潜在的治疗靶点（PDGFR、EGFR、HER2、VEGFR 等），但治疗效果有限。当前还缺乏对于脊索瘤中肿瘤异质性和细胞相互作用的详细认知，需要进一步的研究和评估。

研究思路

研究思路图

研究结果

1. 脊索瘤肿瘤样本的总体情况

来自 4 名男性和 2 名女性患者的6例肿瘤样本，肿瘤部位包括：骶骨（n=1）、活动脊柱（n=3）和颅底（n=2）（图 1A）。经过严格筛选，获得 33737 个细胞，分成 18 个簇（图 1B）。经细胞类型鉴定发现，它们是脊索瘤细胞、单核吞噬细胞、T/自然杀伤（NK）细胞、成纤维细胞、内皮细胞、B 细胞和中性粒细胞（图 1B-D）。在患者之间（图 1E）统计了细胞群的变化。

2. 脊索瘤中肿瘤细胞的异质性

根据脊索瘤特异性标志物 TBXT，共鉴定了 16052 个肿瘤细胞。进一步分为 6 个具有不同表达基因（DEG）的簇（图 2A 和 B）。GO 分析表明主要影响免疫反应，如白细胞迁移、调节、趋化性、B 细胞活化调节和体液免疫反应（图 2C）。这些结果表明，肿瘤异质性解释了不同的肿瘤免疫微环境。拟时序分析显示亚簇 4 处于肿瘤早期，亚簇 2、3 和 5 处于更高级的阶段（图 2D）。脊索瘤表现出很大的肿瘤异质性，这表明发病机制和表型可能不同。
对脊索瘤中的 MTT 靶点（包括 EGFR、HER2、PDGFR、VEGF、VEGFR2 和 KIT 等）（图 2E）的表达进行分析，发现 VEGF 和 VEGFR2 上调最多，表明它们具有作为治疗靶点的潜力。

3. T/NK 细胞聚类和亚型分析

对 3944 个 T/NK 细胞进行了无监督聚类，划分为 5 个具有其独特特征基因的亚群（图 3A，B）。C2 由标记有 KRF1 的 NK 细胞组成，其他是具有 CD3E 表达的 T 细胞（图 3C）。C0、C1、C3 和 C4 分别为 CD4+T、CD8+T、CD4- 和 CD8- 双阴性和 Treg 细胞。上述免疫细胞的特异性标志物分别为 CD4、CD8 和 FOXP3（图 3C）。C1-CD8+T 和 C2- NK+ 表现出高水平的细胞毒活性，其特征是 GZMA、GZMK、GNLY、PRF1 和 IFNγ（图 3B）。此外，在这些细胞毒性免疫细胞上表达的免疫检查点很少（图 3D）。CTLA4、TIGIT 和 TIM3 在 Treg 中过度表达（图 3D），它们是脊索瘤的主要免疫抑制机制和治疗靶点。

4. 单核巨噬细胞聚类和亚型分析

为了研究巨噬细胞之间的异质性，将 3698 个肿瘤相关巨噬细胞（TAM） 聚集成 6 个亚簇（图 4A）。其中 C0 和 C1 数量最多，它们与 M2 亚型极化相关，因为它们表现出高水平的 CD68+CD163+CD204+ 表达（图 4B）。通过 GO 分析发现，C1 参与了血管生成的调节（图 4C），C3 可能在脊索瘤中具有促炎和抗肿瘤作用，C4 和 C5 分别表示核分裂和中性粒细胞活化（图 4C）。分析发现 CD47 和 TIM3 在 TAM 中表达水平较高（图 4D）。

5. 人类脊索瘤中不同的成纤维细胞亚群

有 6945 个成纤维细胞被特定标记鉴定，这些细胞进一步分为 6 个亚群（图 5A）。所有 6 个亚群都表达了高水平的典型成纤维细胞标志物，如 ACTA2（a-SMA）、COL1a2 和 PDGFRb，证实了它们作为成纤维细胞的身份（图 5C）。这些亚群表现出不同的转录组特征（图 5B）。亚簇 0 具有 ECM 特征，包括胶原分子（COL1A1、COL3A1、COL4A1）、POSTN 和 LUM 的高表达。此外，该亚簇的 GO 分析发现这些基因在功能上与 ECM 和胶原纤维组织有关（图 5D），因此它们被认为是基质细胞相关成纤维细胞（mCAFs、mCAFs-C0-POSTN；图 5B、C）。亚簇 1 与细胞趋化性和 T 细胞活化有关，它们被认为是炎症性 CAF（iCAFs、iCAFs–C1–IL1RL1；图 5B、C）。C2 亚簇则高表达与成骨分化相关的 CRABP2 。通过 GO 分析发现，C2 参与骨化和软骨发育，被认为是骨发育调节 CAFs（bCAFs，bCAFs-c2-IL1RL1；图 5B、C）。亚簇 3 高表达的基因是 CST1 和 ANGPTL4。通过 GO 分析发现这些基因与脉管系统发育的调节之间存在关系，因此将 C3 视为血管 CAF（vCAF，vCAF-c3-MCAM；图 5B、C）。

6. CD4+T 细胞、成纤维细胞和巨噬细胞之间的相互作用丰富了 TGFβ 信号通路
通过基于配体-受体对的整体细胞相互作用分析发现，脊索瘤 TME 中最活跃的通路是 TGFβ 信号通路（图 6A），其中 TGFB1-TGFBR1/TGFBR2 和 TGFB1-ACVR1/TGFBR1 对该通信网络的贡献最大（图 6D），这与先前研究的结果一致。TGFβ 主要由脊索瘤中的成纤维细胞和巨噬细胞产生和释放（图 6B）。然而，这种 TGFβ 信号通路网络在巨噬细胞、成纤维细胞、肿瘤细胞和 CD4+ T 细胞中都非常活跃（图 6C）。由于增强的 TGFβ 信号传导与 ECM、肿瘤干细胞特性和 EMT 的恶性生物学过程有关，因此恶性细胞主要受脊索瘤中 TGFβ 途径的影响。

总结

本研究通过单细胞转录组测序描绘了脊索瘤的转录组学景观，细致评估了脊索瘤的肿瘤异质性并确定了一些潜在治疗靶点。本文分析思路明确，充分剖析了单细胞转录组数据，对几种主要细胞群进行了深入的亚簇分析和功能解析，最后基于配体-受体对的整体细胞相互作用揭示了脊索瘤肿瘤微环境的主要作用机制。

参考文献

Duan W, Zhang B, Li X, et al. Single-cell transcriptome profiling reveals intra-tumoral heterogeneity in human chordomas [published online ahead ofprint, 2022 Jan 27]. Cancer Immunol Immunother. 2022;10.1007/s00262-022-03152-1. doi: 10.1007/s00262-022-03152-1