Cell子刊：基于单细胞转录组测序数据，揭示胃腺癌进展过程中免疫、基质细胞状态及生态型演变

导读

胃腺癌（GAC）属于胃癌的一种，由胃腺体细胞恶变形成，其疾病进展迅速、治疗耐药性和转移率较高，是世界上最致命的癌症之一。其中，腹膜转移（PC）是常见的胃癌转移形式，发生在约45%患者中，占所有复发患者的60％，多数患者在6个月内死亡。目前，亟需开发在GAC早期或癌前阶段有效的治疗策略，但人们对从癌前病变如慢性萎缩性胃炎（CAG）和肠上皮化生（IM）到原发性GAC再到转移这一演变背后的分子机制尚不清楚。

对GAC进展过程中不断变化的肿瘤微环境（TME）进行深入分析，能够极大地促进治疗的发展，并揭示各种免疫抑制机制和潜在的治疗靶点。因此，了解TME的复杂性至关重要。迄今为止，传统方法主要集中在GAC肿瘤细胞上，仅有少数研究探索了GAC的免疫和基质亚型，提供了有价值的见解，但受到范围、队列大小、分析深度等限制。人们对各种免疫细胞和基质细胞亚群在GAC进展过程中的演变仍知之甚少。

近日，美国德克萨斯大学MD安德森癌症中心的研究团队在Cancer Cell上发表了题为“Evolution of immune and stromal cell states and ecotypes during gastric adenocarcinoma progression”的文章。研究团队对癌前病变、局部和转移性GAC进行了单细胞分析，表征了GAC不同阶段TME中不同的免疫和基质细胞群，包括转录状态、细胞组成、分化轨迹、细胞间相互作用以及细胞生态类型（ecotype）。研究团队共鉴定出6种TME生态型（EC1-6），并发现大量IgA+浆细胞存在于癌前TME中，而免疫抑制的髓细胞亚群和基质亚群在晚期GAC中占主导地位。综上，该研究提供了GAC进展过程中免疫和基质细胞演变的详细图谱，揭示了潜在的治疗靶点，并为未来的相关研究提供了宝贵的资源。

文章发表在Cancer Cell

研究团队对来自43名胃腺癌患者68个样本中的免疫细胞和基质细胞进行单细胞RNA测序（scRNA-seq），样本涵盖GAC发展的不同阶段，如癌前病变（CAG和IM）、原发GAC和腹膜、卵巢和肝脏的转移灶（图1）。此外，研究团队还收集部分患者配对的非肿瘤肿瘤旁组织（NAT）、正常胃组织（NGT）和外周血单核细胞（PBMC）样本。经严格的质量过滤，最终保留了77,392个高质量细胞用于后续分析。

接下来使用无监督聚类分析，研究团队将上述细胞分为10个不同的细胞谱系，并进一步细分为3种主要的细胞类型，即淋巴细胞（77%，如T、B、NK和浆细胞）、髓系细胞（13%，如pDC、肥大细胞、其他髓细胞）和基质细胞（10%，如成纤维细胞、内皮细胞和间皮细胞）。通过对每一个细胞类型进行亚群分析，最终识别了62个不同的细胞亚群。

图1. 免疫细胞和基质细胞在GAC不同阶段的scRNA-seq数据

为更好地表征GAC的TME图谱，研究团队分析了上述62个细胞亚群的相对丰度和表型关系，并通过无监督层次聚类量化其转录组相似性（图2）。结果显示，基质细胞、浆细胞和肥大细胞亚群主要分布在组织样本中，并在CAG/IM中高度富集；PBMC和PC中富集单核细胞群。原发GAC表现出增殖淋巴样细胞、CD4+ TREG、CD4/ CD8+ TSTR和CD8+ TEX的富集，而转移GAC表现出先天免疫细胞、CD4+/ CD8+ TN和CTL水平的增加。此外，随着GAC的进展，浆细胞显著减少，髓细胞增加。综上，该研究揭示了随着GAC进展过程中TME的演变，并提示肿瘤相关的基质细胞和免疫细胞之间可能存在相互作用。

图2. 62个TME细胞亚群的表型关系和种群丰度

为探究不同免疫和基质细胞亚群如何形成特定的“生态系统（ecosystem）”，以及这些生态系统在GAC不同进展过程的变化，研究团队量化了58个样本的细胞组成，并分析了各细胞之间的关系以及共存模式，即细胞生态型（ecotype）（图3）。结果显示，共发现6个细胞生态型（EC1-6），每个生态型都具有特定的细胞类型/状态，并表现出独特的细胞组成和共存模式。

EC1包括所有的PBMC样本，主要由单核细胞、NK细胞和CD4+/CD8+ T细胞组成，仅存在于血液中；EC2、EC4和EC5分别在转移灶、未受累组织、癌前病变中富集；EC3和EC6是原发性GAC中的两种不同生态型，富集于原位癌组织中并与组织病理学、基因组特征以及患者生存相关。EC3和EC6的细胞组成存在显著差异：EC3主要由CD4+ T细胞、CD8+ T细胞、NK细胞、MAIT细胞和DC等免疫细胞组成，而EC6则主要由基质细胞亚群组成。此外，与EC3生态型患者相比，EC6生态型患者的生存期显著缩短。

图3. TME细胞生态型及其临床意义

为识别免疫和基质细胞中的潜在靶点，研究团队对157个基因进行了综合分析，包括免疫检查点基因和其他已知或新发现的免疫调节基因（图4）。结果显示，有21个基因在公共GAC队列中显示与生存结果显著相关，其中SDC2、ITGB1和TGFB1在超3个GAC队列中与生存率显著相关。进一步分析显示，SDC2在癌前病变和原发癌的基质细胞中的表达水平显著高于正常组织，并在myCAF型成纤维细胞中表达最高，表明其在GAC进展中可能存在潜在作用。

图4. SDC2在肿瘤基质细胞中的情况

为验证SDC2在GAC队列中的临床意义，研究团队通过组织微阵列分析了一个独立的原发性GAC队列中（359名患者）SDC2的表达水平。结果显示，SDC2主要存在于基质细胞及肿瘤细胞的细胞质和细胞膜中；SDC2表达与肿瘤分期存在显著相关性。GAC组织中，SDC2的高表达与较短的生存期相关；在肿瘤相关成纤维细胞中，SDC2的表达水平与疾病的侵袭性表型相关。此外，与早期GAC相比，晚期GAC中SDC2的表达显著增加。综上所述，SDC2在肿瘤间质中的基因和蛋白水平均表达上调，其高表达水平与肿瘤进展和不良生存率显著相关，且独立于其他临床或组织病理学变量。

图5. SDC2上调的预后意义及SDC2过表达对小鼠肿瘤生长的影响

综上所述，该研究收集并分析了来自胃腺癌癌前病变、原发病灶、转移组织的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，以及未受累的正常组织和外周血样本，共鉴定出6种TME生态型。此外，研究团队还发现广泛的间质重塑发生在GAC进展过程中；SDC2在癌症相关成纤维细胞的过表达有助于肿瘤生长。总而言之，该研究提供了一个详细的GAC TME图谱，并揭示了潜在的研究靶点。

参考文献：

Ruiping Wang, Shumei Song, Jiangjiang Qin. et al. Evolution of immune and stromal cell states and ecotypes during gastric adenocarcinoma progression. Cancer Cell (2023).

https：//doi.org/10.1016/j.ccell.2023.06.005