Cell Discov. | 空间转录组结合多重免疫荧光（mIHC）揭示肺腺癌进展的分子特征和细胞可塑性

2023年9月19日，北京大学詹启敏院士和吴楠教授团队合作在《Cell Discovery》（IF=33.5）上发表了题为“Spatial transcriptomics delineates molecular features and cellular plasticity in lung adenocarcinoma progression”的研究性论文。研究人员通过整合空间转录组（10× Genomics）和多重免疫荧光（mIHC）技术，阐明了肺腺癌（LUAD）不同组织学亚型的分子特征和细胞可塑性，提供了驱动LUAD亚型进展的分子图谱的系统景观，并展示了侵袭性肺腺癌的潜在新治疗策略和靶点。

研究背景

肿瘤进展的特征是肿瘤细胞的动态分子和表型变化，称为细胞可塑性，并且与治疗耐药性和不良临床结果的去分化状态有关。内在和外在因素，如遗传改变、表观遗传修饰、转录变化和治疗诱导的选择压力，塑造了癌细胞的可塑性，因此导致了肿瘤间和肿瘤内的异质性。

肺腺癌 （LUAD） 是最普遍和最致命的恶性肿瘤之一，其突出特征是组织学异质性以及细胞和分子异质性。多种组织学亚型通常共存于肿瘤肿块中。其中一些亚型（微状、实性和复杂腺体）具有高度侵入性，但其他亚型（鳞状）表现出惰性生长。尽管LUAD中广泛的遗传和表观遗传异质性已被证明，但在LUAD进展过程中促进组织学亚型转变的分子特征和生物学相互作用仍然不清楚。

研究思路

本研究招募了5名在北京大学肿瘤医院胸外科 II 科接受根治性肺叶切除术的早期 LUAD 初治患者，取术后组织，分成6.5×6.5mm的碎片，由两位经验丰富的胸部病理学家确定适合做空间转录组（ST）分析的片段，然后进行ST，以揭示不同组织学亚型的细胞组成；应用mIHC技术对LUAD组织芯片（TMA）进行染色分析， 包括92个肿瘤组织和88个正常组织，以揭示LUAD中肿瘤相关巨噬细胞（M1和M2）的空间分布和异质性。

工作流程

研究结果

1、空间转录组揭示了肺腺癌的瘤内异质性

根据组织学特征，可将LUAD分为5种亚型：lepdic (Lep)、乳头状(P)、腺泡状(A)、微乳头状(MP)和实性(S)亚型。为阐明不同组织学亚型的细胞组成，作者使用10× Visium 平台对5名患者的侵袭性LUAD样本进行了空间转录组分析。根据差异基因表达可分为10个簇，提示肿瘤内空间异质性。

图1：ST 揭示的 LUAD 组织学亚型

参考人肺的单细胞数据集，作者发现巨噬细胞是LUAD中含量最高的细胞类型，占所有细胞的13.39%。有趣的是，不同组织学亚型的细胞比例有明显的变化，在PA亚型中，club细胞的比例最高，在S和MP亚型中，巨噬细胞占比最高，分别为13.21%和15.71%。

为了探索巨噬细胞在TME中跨组织学亚型的功能，作者整合了两个公开的scRNA数据集，对巨噬细胞表型差异进行了多模式交叉分析（MIA）。结果表明，除了在组织学亚型中普遍存在的抗炎巨噬细胞外，巨噬细胞表型异质性是LUAD的一个关键特征。例如，肿瘤相关巨噬细胞（TAM）在S亚型中富集，PA、MP和S亚型中，富集大量与血管生成相关的巨噬细胞。相反， PA 和 S 亚型中与吞噬作用相关的巨噬细胞被耗尽。此外，肺泡驻留巨噬细胞优选驻留在正常组织中。这些结果揭示了LUAD组织学亚型的异质性，以及不同组织学亚型中细胞的差异富集。

图2：跨组织学亚型的细胞组成的鉴定和表征

图3：组织学亚型中细胞信号转导的表征

3、不同组织学亚型间去分化状态的异质性

去分化过程与肿瘤进展有关，侵袭性 LUAD 的组织学亚型与预后相关，高级别亚型（MP、S 和 PA）与复发和转移风险显著增加以及检查点抑制剂治疗的临床反应相关。为深入了解亚型特异性动态去分化变化，作者进行了发育轨迹分析。研究结果揭示了LUAD中去分化状态的亚型特异性，尤其是MP亚型，这可能解释了MP亚型的高度侵袭性特征。

图4：组织学亚型间去分化状态的异质性

图5：组织学亚型的免疫特征

图6：巨噬细胞亚群的景观

研究结论

研究结论

在这篇文章中作者整合了侵袭性肺腺癌的空间转录组学和mIHC，以阐明驱动组织学亚型进展的分子机制和微环境组成。在不同的组织学亚型中发现了不同的TAM亚群，表明TAM亚群在重塑肿瘤环境和介导免疫抑制促进肿瘤进展中发挥着不可或缺的作用。

总之，该研究结果描绘了亚型进展过程中的动态生物学过程和去分化状态。空间分辨的分子图谱提供了肿瘤进展过程中癌细胞和TME位置环境的详细且无偏倚的图谱，使我们能够直接检查亚型进展的分子特征和细胞去分化状态的异质性，从而为治疗方案提供潜在的新见解。

图6：LUAD 亚型进展和去分化状态的转录重编程和动态细胞信号转导的示意图

文章链接：Wang, Yan et al. “Spatial transcriptomics delineates molecular features and cellular plasticity in lung adenocarcinoma progression.” Cell discovery vol. 9,1 96. 19 Sep. 2023, doi:10.1038/s41421-023-00591-7IF:33.5 Q1

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