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胃癌单细胞图谱:谱系状态、肿瘤微环境和亚型特异性表达程序

期刊:Cancer DiscoveryDOI:10.1158/2159-8290.CD-21-0683

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告:

研究作者与机构

该研究由Vikrant Kumar、Kalpana Ramnarayanan、Raghav Sundar等多名研究人员共同完成,主要研究机构包括Duke-NUS Medical School、National University of Singapore、Kumamoto University等。研究于2022年3月发表在《Cancer Discovery》期刊上。

学术背景

胃癌是全球癌症发病率和死亡率的主要原因之一,尤其在亚洲、东欧和中美洲地区发病率较高。胃癌在组织学、转录组和表观基因组水平上表现出高度的异质性,这种异质性对临床管理和治疗反应具有重要影响。尽管通过癌症基因组图谱(TCGA)和亚洲癌症研究组(ACRG)等联盟已经定义了胃癌的特定分子亚型,但基于这些发现的患者预后改善仍然有限。此外,胃癌在患者内部也存在高度异质性(intrapatient heterogeneity, ITH),这进一步增加了疾病管理的复杂性。因此,研究团队旨在通过单细胞RNA测序(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)技术,构建一个全面的胃癌单细胞图谱,以揭示胃癌的分子异质性及其对临床管理的影响。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤:

  1. 样本采集与处理
    研究团队从31名胃癌患者中采集了48个样本,涵盖不同的临床分期和组织学亚型(弥漫型和肠型)。样本包括手术切除和活检样本,以及匹配的正常胃组织。样本通过酶解和机械分离处理后,进行单细胞RNA测序。

  2. 单细胞RNA测序
    使用10x Genomics平台对样本进行单细胞RNA测序,共测序了超过200,000个细胞。测序数据经过质量控制(QC)和批次效应去除后,最终纳入了200,954个单细胞。此外,还对13个样本进行了空间转录组学分析,以验证细胞状态和分子相互作用的预测。

  3. 数据分析
    研究团队使用Seurat软件对数据进行了降维和聚类分析,识别出34种不同的细胞状态。这些细胞状态被分为五大类:髓系细胞、淋巴系细胞、浆细胞、上皮细胞和基质细胞。通过伪时间分析,研究团队还揭示了细胞分化轨迹和罕见细胞群体。

  4. 功能验证
    研究团队通过体外和体内实验验证了部分发现。例如,使用人源化小鼠模型验证了KLF2在浆细胞募集中的作用,并通过siRNA敲低实验验证了INHBA在癌症相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts, CAFs)中的功能。

主要结果

  1. 细胞状态与异质性
    研究团队发现胃癌中存在34种不同的细胞状态,其中包括一些罕见的细胞群体。这些细胞状态在肿瘤微环境中表现出不同的表达谱,共同构成了肿瘤的分子拼图。

  2. 浆细胞在弥漫型胃癌中的增加
    研究发现,弥漫型胃癌中浆细胞的比例显著增加,且这种增加与上皮细胞中KLF2的表达相关。通过人源化小鼠模型和体外迁移实验,研究团队进一步验证了KLF2在浆细胞募集中的关键作用。

  3. 癌症相关成纤维细胞的亚型
    研究团队识别出多种癌症相关成纤维细胞亚型,其中INHBA和FAP高表达的细胞群体与不良临床预后相关。通过空间转录组学和功能实验,研究团队验证了INHBA在调节FAP表达中的作用。

  4. 胃癌类器官的比较分析
    研究团队还比较了患者来源的类器官(patient-derived organoids, PDOs)与原发性肿瘤的细胞状态,发现PDOs在转录谱上与原发性肿瘤存在相似性和差异性,提示PDOs可以作为研究胃癌的实验模型。

结论

该研究通过单细胞RNA测序技术,构建了一个全面的胃癌单细胞图谱,揭示了胃癌的分子异质性及其对临床管理的影响。研究发现了多种新的细胞状态和罕见细胞群体,并揭示了浆细胞在弥漫型胃癌中的重要作用以及INHBA在癌症相关成纤维细胞中的调控机制。这些发现为胃癌的精准治疗和预后评估提供了重要的分子资源。

研究亮点

  1. 大规模单细胞测序
    研究团队对超过200,000个细胞进行了单细胞RNA测序,这是迄今为止胃癌单细胞研究中规模最大的一次。

  2. 罕见细胞群体的发现
    研究团队识别出多种罕见的细胞群体,包括表达PLVAP和RGS5的双重谱系细胞,这些细胞可能参与了内皮-间质转化(endothelial-mesenchymal transition, EndoMT)。

  3. KLF2与浆细胞募集的关系
    研究首次揭示了KLF2在弥漫型胃癌中浆细胞募集中的关键作用,为理解胃癌的免疫微环境提供了新的视角。

  4. INHBA在CAFs中的调控作用
    研究团队发现INHBA在调节CAFs中FAP表达中的作用,并验证了其与不良临床预后的相关性,为胃癌的治疗提供了潜在靶点。

其他有价值的内容

研究团队还通过空间转录组学技术,验证了单细胞测序数据的空间分布,进一步增强了研究结果的可靠性。此外,研究团队对胃癌类器官的转录谱进行了比较分析,为未来利用PDOs进行胃癌研究提供了重要参考。

总体而言,该研究为理解胃癌的分子异质性和肿瘤微环境提供了重要的分子资源,并为胃癌的精准治疗和预后评估提供了新的思路。

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