胰腺癌的单核和空间转录组分析识别与新辅助治疗相关的多细胞动力学
题目：Single-nucleus and spatial transcriptome profiling of pancreatic cancer identifies multicellular dynamics associated with neoadjuvant treatment
期刊：Nature genetics（IF=41.307）
导读
胰腺导管腺癌（PDAC）是一种高致死性和难治性癌症。胰腺癌的分子分型仍处于初级阶段。本文选取43粒接受新辅助治疗或未接受治疗的原发性PDAC肿瘤标本进行单核RNA测序和全转录组数字空间图谱（DSP），构建了PDAC的细胞亚型和空间群落的高分辨率分子图谱，发现了恶性细胞和成纤维细胞的复发性表达程序。整合空间和细胞分布图显示了三个多细胞群落，其对恶性、成纤维细胞和免疫亚型的贡献不同：经典型、鳞状基底细胞型和治疗富集型。本研究完善的分子和细胞分类学可以为临床试验中的分层提供框架，并作为针对特定细胞表型和多细胞相互作用的治疗靶向的路线图。
主要结果
1. 冷冻人PDAC肿瘤进行单细胞核测序
从43名接受了手术切除，并接受了（n=25）或未接受（n=18）新辅助治疗的复发性PDAC标本中收集224,988个高质量snRNA序列，无监督聚类确定了33个细胞亚群，通过已知基因进行注释，拷贝数改变（CNA）确认恶性细胞，鉴定到非恶性上皮细胞、免疫细胞、内分泌细胞和多种基质细胞。其中少部分腺泡细胞（腺泡REG+）表达高水平的再生家族成员基因，这些基因促胰腺炎症、腺泡至导管化生（ADM）和胰腺上皮内瘤变（PanIN）。
在至少有5名患者的临床亚组中，接受新辅助治疗的恶性细胞比例显著降低，与组织学一致。治疗组之间的非恶性细胞亚群在在数量和质量上存在差异。此外，与未治疗和CRT肿瘤相比，CRTL肿瘤中的CD8+ T细胞表达更高水平的效应功能基因，低表达静止和功能障碍基因。这些结果与氯沙坦介导的肿瘤内细胞毒性T细胞活性增加一致。
2. ADM和非典型导管细胞
在上皮隔室中，部分低CNA核共同表达导管和腺泡谱系的标记物，表明ADM可能在小鼠胰腺肿瘤发生中起起始作用。与腺泡细胞相比，ADM细胞具有更高的HALLMARK_KRAS_SIGNALING_UP信号表达。此外，一个导管细胞亚群高表达导管和恶性标记物，而CNAs没有升高，将其命名为非典型导管细胞。非典型导管细胞具有早在PanIN2/3期表达的基因，其具有比ADM细胞更高水平的HALLMARK_KRAS_SIGNALING_UP信号。基于分区的图形抽象推断出从腺泡到ADM到导管到非典型导管到恶性细胞的主要拟时间轨迹，与HALLMARK_KRAS_SIGNALING_UP信号单调增加一致，证实ADM和非典型导管细胞作为PDAC肿瘤发生的相关中间状态。
3. 治疗相关恶性肿瘤和CAF程序表达
作者使用一致非负矩阵因子分解（cNMF）从头学习了不同肿瘤的恶性细胞和CAF的复发表达程序，最终确定了14个反映细胞谱系，除了先前报道的亚型，如myCAFs和恶性分类，本研究还将聚集的基底样/鳞状/准间充质亚型划分为离散的鳞状、基底样和间充质细胞；揭示了支持异常分化的内分泌和外分泌（ADEX）亚型，并通过原位验证揭示了一个独特的NRP程序。
新辅助治疗中恶性和CAF程序表达在不同患者中具有显著异质性。与未治疗组相比，恶性NRP和神经内分泌样程序在CRT组明显更高，而经典和鳞状程序较低。与未治疗组相比，新辅助CRTL也显示出更高的NRP程序表达，而经典的鳞状和基底样程序的表达较低。并且作者通过snRNA-seq，验证了与未治疗相比，离体治疗的患者衍生器官样细胞系中NRP程序增加。
为了评估恶性和CAF的预后相关性，研究者对来自TCGA和PanCuRx/ICGC9的未治疗、切除的原发性PDAC患者的bulk RNA数据，对疾病进展时间（TTP）和总生存期（OS）进行了多变量Cox回归分析，发现NRP和鳞状细胞程序与较短的TTP相关，而经典和免疫调节程序与较长的TTP有关。对于OS，年龄和粘附性CAF程序与较短的生存期相关，而经典程序与较长的生存期有关。这些发现与神经元亚型与膀胱癌不良预后之间的关联一致。
4. 将细胞类型和程序映射到肿瘤结构
为了解释细胞和表达程序在多细胞群体中的空间结构，作者使用NanoString GeoMx人类全转录组图谱进行了空间全转录组技术，获得了切片上每个感兴趣区域（ROI）的空间转录组图谱，并将空转数据与snRNA序列细胞类型特征反卷积，将每个恶性和CAF程序的表达映射到ROI上，结果显示NRP和神经内分泌样恶性程序更加富集于CRT的ROI中，与snRNA分析一致。
为了识别多细胞空间关联，研究者将ROI中的每对特征关联起来，以产生恶性谱系程序、CAF程序、免疫细胞类型的比例以及恶性、成纤维细胞和免疫段占据的ROI面积百分比的空间协变矩阵。无监督聚类确定了三个具有不同恶性、基质和免疫特征的多细胞群落。群落1（治疗富集）的特点是NRP与神经内分泌样恶性程序、嗜神经性CAF程序和CD8+T细胞之间的关联，这些都富含snRNA-seq治疗，以及间充质和腺泡恶性程序和免疫调节CAF程序。群落2（鳞状细胞-基底细胞样）的特点是鳞状细胞样和基底细胞样恶性程序与多种淋巴和骨髓细胞类型、较高的上皮细胞和免疫含量以及较低的CAF含量相关。簇3（经典）表现出经典恶性程序、肌纤维母细胞祖细胞和粘附CAF程序、巨噬细胞、中性粒细胞和cDC2之间的关联，以及更高的CAF和更低的免疫比例。snRNA-seq数据中患者级别特征的聚类概括了其中一些关联。
参考文章：
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
