皮肤癌相关成纤维细胞亚型调控肿瘤免疫微环境并与恶性肿瘤相关性的单细胞研究

作者及发表信息

本研究由Agnes Forsthuber、Bertram Aschenbrenner、Ana Korosec等来自Medical University of Vienna（奥地利维也纳医科大学）、Karolinska Institutet（瑞典卡罗林斯卡学院）等多个研究机构的科学家合作完成，并于2024年发表在Nature Communications（《自然·通讯》）期刊上，DOI: 10.1038/s41467-024-53908-9。

学术背景

研究领域：肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）中的癌症相关成纤维细胞（Cancer-Associated Fibroblasts, CAFs）在癌症进展和治疗反应中发挥关键作用。尽管CAFs的异质性已在多种癌症（如乳腺癌、胰腺癌）中被研究，但皮肤癌（包括基底细胞癌（BCC）、鳞状细胞癌（SCC）和黑色素瘤）中的CAF亚型及其功能仍不明确。

研究动机：皮肤癌是全球最常见的恶性肿瘤之一，其中黑色素瘤恶性程度高，而BCC和SCC的侵袭性较低。CAFs可通过调控细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）重塑、免疫细胞招募和T细胞排斥影响肿瘤进展，但其具体机制尚不清楚。

研究目标：
1. 解析皮肤癌（BCC、SCC、黑色素瘤）中CAF的异质性，鉴定不同CAF亚型。
2. 探究CAF亚型与肿瘤恶性程度的关系。
3. 揭示CAF如何通过免疫调节和ECM重塑影响肿瘤微环境。

研究流程与方法

1. 样本收集与单细胞RNA测序（scRNA-seq）

• 研究对象：
  
  • 10例肿瘤样本（4例SCC、3例BCC、3例黑色素瘤）及5例健康皮肤对照。
    
  • 样本处理：手术切除后立即采集4 mm穿刺活检组织，分离肿瘤中心及邻近正常皮肤。
    
• 实验方法：
  
  • FACS分选：通过流式细胞术（Fluorescence-Activated Cell Sorting, FACS）富集成纤维细胞、角质形成细胞和免疫细胞，采用Smart-seq2技术进行高灵敏度单细胞转录组测序。
    
  • 测序数据：共分析4824个细胞，中位测序深度为486,146 RPKM/细胞，检测到中位数3242个基因/细胞。
    

2. 细胞聚类与CAF亚型鉴定

• 无监督聚类：将细胞分为成纤维细胞、角质形成细胞、黑色素细胞、免疫细胞和内皮细胞。
  
• CAF亚型鉴定：
  
  • 肌成纤维细胞样CAFs（RGS5+ CAFs）：表达ACTA2（α平滑肌肌动蛋白）和RGS5，可能来源于血管周细胞。
    
  • 基质CAFs（Matrix CAFs, mCAFs）：高表达COL1A1、COL3A1、POSTN等ECM成分，可能限制T细胞浸润。
    
  • 免疫调节CAFs（Immunomodulatory CAFs, iCAFs）：高表达IL6、CXCL8、MMP1等细胞因子和趋化因子，促进免疫细胞招募。
    

3. 空间转录组与免疫组织化学验证

• 原位RNA杂交（RNAscope）：在68例肿瘤样本中验证CAF亚型的空间分布。
  
  • mCAFs：富集于肿瘤-基质交界处，形成ECM屏障。
    
  • iCAFs：在侵袭性肿瘤（如晚期黑色素瘤）中数量增加。
    
• 免疫组化（IHC）：检测TAGLN、DES（周细胞标记物）和COL11A1（mCAFs标记物）。
  

4. 功能实验

• 体外CAF激活实验：
  
  • 用黑色素瘤细胞条件培养基（Conditioned Medium, CM）处理健康皮肤成纤维细胞（NHDFs），诱导iCAF样表型（高表达CXCL2、IL6）。
    
  • 但CM未能诱导mCAF表型，提示mCAF分化依赖其他信号。
    
• T细胞激活实验：
  
  • iCAFs显著促进CD4+和CD8+ T细胞增殖（通过流式细胞术检测CD69表达）。
    

主要研究结果

1. CAF亚型与肿瘤恶性程度相关

• mCAFs：在低侵袭性肿瘤（如结节性BCC）中富集，可能通过ECM屏障限制T细胞浸润。
  
• iCAFs：在侵袭性肿瘤（如晚期黑色素瘤）中数量增加，通过分泌CXCL1-8、IL1B招募免疫细胞。
  

2. CAF影响免疫微环境

• mCAFs的T细胞排斥作用：高mCAF密度的肿瘤区域，CD3+ T细胞浸润减少（线性回归分析显示负相关，R²=0.040）。
  
• iCAFs的免疫调节功能：iCAFs是肿瘤中细胞因子的主要来源，而非肿瘤细胞本身。
  

3. 肿瘤细胞通过分泌因子塑造CAF表型

• 转移性黑色素瘤细胞（如VM15）的条件培养基可诱导健康成纤维细胞向iCAF转化，但原发黑色素瘤细胞（如VM19）无此效应。
  

研究结论与意义

1. CAF亚型影响皮肤癌进展：mCAFs通过ECM重塑限制T细胞浸润，而iCAFs通过细胞因子招募免疫细胞，可能促进免疫逃逸。
   
2. 靶向CAFs可增强免疫治疗：抑制mCAFs的ECM生成可能改善T细胞浸润，而靶向iCAFs的细胞因子信号可优化免疫治疗策略。
   
3. 皮肤癌分子分型的潜在标志物：CAF亚型可作为肿瘤恶性程度的生物标志物，指导个体化治疗。
   

研究亮点

1. 首个系统性皮肤癌CAF单细胞图谱：鉴定出RGS5+ CAFs、mCAFs和iCAFs三种亚型，并解析其功能差异。
   
2. 空间转录组验证：结合scRNA-seq和原位RNA杂交，精准定位CAF亚型的肿瘤分布。
   
3. 临床转化价值：为CAF靶向治疗（如抗纤维化药物联合免疫检查点抑制剂）提供理论依据。
   

其他有价值内容

• 肿瘤微环境影响非恶性细胞：肿瘤相关黑色素细胞（TMCs）的基因表达受TME调控，与健康黑色素细胞（HMCs）不同。
  
• CAF来源的争议：RGS5+ CAFs可能来源于血管周细胞（Pericytes）或局部成纤维细胞，需进一步谱系追踪研究验证。
  

本研究揭示了皮肤癌CAF的异质性及其在肿瘤免疫微环境中的关键作用，为开发新型治疗策略提供了重要理论基础。