胃癌中癌症干细胞微环境的单细胞与空间转录组学解析
作者及机构
本研究由Guangyu Zhang、Xin Zhang、Wenting Pan、Xizhao Chen等共同完成，主要作者来自中国科学院广州生物医药与健康研究院（Guangzhou Institutes of Biomedicine and Health, Chinese Academy of Sciences）、中国人民解放军总医院（Chinese PLA General Hospital）及北京工业大学（Beijing University of Technology）。研究成果发表于Advanced Science期刊，2025年2月在线发表（DOI: 10.1002/advs.202413019）。
学术背景
胃癌（Gastric Cancer, GC）是全球癌症相关死亡的主要原因之一，而癌症干细胞（Cancer Stem Cells, CSCs）被认为是治疗耐药性和肿瘤进展的核心驱动因素。尽管靶向治疗取得进展，但CSCs的分子特征及其与微环境（TME）的相互作用机制尚不明确。本研究聚焦于胃癌CSCs的起源、表型可塑性及其微环境调控机制，旨在解析CSCs如何通过特定信号通路（如EGFR、Wnt）和细胞互作（如免疫抑制性T细胞、癌相关成纤维细胞）驱动肿瘤进展。
研究流程与方法
样本收集与单细胞测序
- 样本来源：32例人胃黏膜组织（5例正常对照、10例胃炎、13例胃癌），通过荧光激活细胞分选（FACS）筛选活细胞（7-AAD染色阴性）。
- 单细胞RNA测序（scRNA-seq）：使用10x Genomics平台，获得128,940个高质量细胞的转录组数据，中位基因数1,318，UMI数3,283。
- 空间转录组学：4例胃癌组织通过10x Visium技术进行空间分辨率分析，验证scRNA-seq结果。
细胞类型鉴定与功能分析
- 细胞分群：基于标记基因（如EPCAM标记恶性上皮细胞、SOX9/OFLM4标记CSCs）和拷贝数变异（CNV）分析，鉴定10大类细胞，包括成纤维细胞、内皮细胞、免疫细胞（如CXCL13+ T细胞、CCL18+ M2巨噬细胞）及恶性上皮细胞。
- 轨迹分析：通过Slingshot和Monocle算法揭示CSCs的发育路径：成熟胃主细胞（Chief Cells）→ SPEM（Spasmolytic Polypeptide-Expressing Metaplasia）→ CSC状态，伴随EGFR/Wnt通路激活。
微环境互作机制
- 免疫抑制性互作：CSCs通过配体-受体对（如NECTIN2-TIGIT、LGALS9-HAVCR2）与CXCL13+ T细胞和CCL18+ 巨噬细胞相互作用，逃避免疫监视。
- 癌相关成纤维细胞（CAFs）的作用：炎症性CAFs（iCAFs）通过分泌AREG（Amphiregulin）激活ERBB2-SOX9/OFLM4轴，促进肿瘤干性和化疗耐药。
功能验证实验
- 体外共培养：iCAFs与胃癌细胞共培养显著增强肿瘤球形成能力，敲除AREG或ERBB2抑制剂（Lapatinib）可逆转此效应。
- 多重免疫荧光：证实SOX9+ CSCs与iCAFs在肿瘤区域的共定位，空间转录组显示AREG-ERBB2信号的空间共表达。
主要结果
CSCs的起源与特征
- 转录轨迹分析表明CSCs来源于胃主细胞的转分化，SPEM为中间状态。CSCs高表达干性基因（SOX9、OLFM4、PROM1），并激活NF-κB、Wnt等通路。
- 空间转录组在胃癌区域鉴定出CSCs富集簇（高表达SOX9/OLFM4/MKI67），与患者不良预后显著相关（p=0.041）。
免疫微环境的调控作用
- CXCL13+ CD8 T细胞和FOXP3+ Tregs在胃癌中富集，通过免疫检查点分子（如TIGIT）抑制抗肿瘤免疫。
- CCL18+ M2巨噬细胞通过THBS1-CD47轴促进CSCs干性。
iCAFs的核心角色
- iCAFs通过AREG-ERBB2信号上调SOX9表达，驱动肿瘤干性和耐药性。临床数据表明，iCAFs标志物（AREG、IL24）与患者生存率负相关。
结论与意义
本研究首次通过单细胞与空间多组学联合分析，揭示了胃癌CSCs的转录轨迹及其微环境互作网络，提出以下创新观点：
1. 科学价值：阐明了CSCs通过转分化起源的分子机制，挑战了传统“层级模型”与“随机模型”的争议。
2. 临床应用：AREG-ERBB2轴和免疫检查点分子（如TIGIT）可作为联合治疗靶点，克服胃癌耐药性。
3. 方法学创新：整合scRNA-seq与空间转录组，实现了微环境细胞互作的可视化分析。
研究亮点
- 关键发现：
- 胃主细胞→SPEM→CSCs的转分化路径；
- iCAFs通过AREG-ERBB2-SOX9轴维持CSCs干性。
- 技术突破：开发基于空间转录组的CSCs微环境解析流程，为实体瘤研究提供新范式。
- 临床启示：靶向iCAFs或AREG信号可增强现有化疗/免疫治疗的敏感性。
其他价值
研究还发现，CSCs与血管周CAFs（如CD146+ CAFs）通过IL-6/IL-6R轴互作，提示肿瘤血管化与干性的协同调控机制，为抗血管生成治疗提供新思路。