血管新生的基因密码:空间转录组技术在肿瘤血管研究中的突破

文摘   2024-12-25 09:05   江苏  


导语 .

在肿瘤研究领域,血管生成是一个关键的生物学过程,它不仅关系到肿瘤的生长和转移,也是肿瘤治疗的重要靶点。近年来,随着生物技术的飞速发展,单细胞转录组技术和空间转录组技术以其独特的优势,为肿瘤血管生成研究带来了新的视角和方法。


图1 “tumor angiogenesis & single cell”Pubmed发文数量


血管生成是指新血管的形成,通常是从现有的微血管(如毛细血管)中开始的。这一过程对于正常生理状态下的组织生长和修复至关重要,同时也在肿瘤的生长和发展中发挥关键作用。

11月12日下午青椒医学与寻因生物针对《国自然前沿-肿瘤发生课题设计经验及创新技术机遇分享》做了详细的介绍~

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01

肿瘤血管生成研究的重要性

1.1肿瘤血管生成的作用

在肿瘤的发展过程中,血管生成发挥着至关重要的作用。肿瘤细胞的快速增殖需要大量的氧气和营养物质,这些都依赖于血管系统的有效输送。肿瘤细胞通过促进血管生成来满足这些需求,从而支持其快速增长。此外,新生的血管还为肿瘤细胞提供了转移的途径,肿瘤细胞可以脱落进入血管,迁移到其他组织中,形成转移灶。同时,肿瘤微环境中的新血管可能帮助肿瘤细胞逃避免疫监视,异常的血管结构可能影响免疫细胞的渗透,使得肿瘤细胞能够在更大程度上逃避机体的免疫反应。


图2 肿瘤发生发展的过程

1.2肿瘤血管化的异质性

肿瘤血管化的过程涉及多个不同的生物学机制,这些机制在不同类型的肿瘤以及同一肿瘤的不同部位之间都存在差异。这种异质性是当前研究的重点之一,因为它可能影响肿瘤的侵袭性和预后,也是抗血管生成疗效差异的原因之一。

1.3抗血管治疗的挑战

抗血管治疗是肿瘤治疗中的一种常见方法,通常与其他治疗方式联用。然而,抗血管治疗的耐药性是一个重要的问题。理解肿瘤血管生成的机制对于解决耐药性问题至关重要。研究表明,肿瘤细胞、骨髓衍生细胞和局部基质细胞之间的相互作用可能导致肿瘤对治疗产生耐药性。


02

肿瘤血管生成机制

2.1 肿瘤血管生成的生物学机制

肿瘤血管生成主要有以下5种方式:

① 芽生血管生成(Sprouting Angiogenesis):这是最常见的血管生成方式,血管内皮细胞在生长因子的刺激下,从已有血管中喷发而出,形成新的血管网络。

② 血管模仿(Vasculogenic Mimicry):某些癌细胞模拟血管结构,形成不依赖内皮细胞的血管样通道,这种机制在侵袭性肿瘤中尤为常见。

③ 血管腔内化(Vessel Intussusception):通过血管腔内的内皮细胞增生和重组,快速增加血管数量,为肿瘤提供更丰富的血液供应。

④ 血管协同(Vascular Co-option):肿瘤细胞巧妙地利用现有血管,避免了自行生成新血管的复杂过程,这种机制使得肿瘤能在较低血供条件下生存。

⑤ 癌症干细胞衍生的血管生成:研究表明,癌症干细胞具有强大的血管生成能力,它们分泌的特定因子能够促进血管内皮细胞的生长和迁移,为肿瘤提供营养和氧气。

图3 肿瘤血管生成的机制

2.2 肿瘤血管生成的细胞机制

2.2.1 血管内皮细胞

血管内皮细胞(Vascular Endothelial Cells, ECs)是构成血管内表面的细胞,发挥着至关重要的作用,特别是在肿瘤血管生成过程中。血管生成是指新血管的形成,是肿瘤生长和转移所必需的。研究显示,内皮细胞不仅参与新血管的生成,还在肿瘤的发起、进展和转移中发挥重要角色。内皮细胞的代谢在调节血管生成中越来越受到关注。研究表明,内皮细胞的代谢活动可以影响其增殖和迁移能力,从而影响肿瘤的血管生成过程。

由于内皮细胞在肿瘤血管生成中的关键作用,针对其代谢的治疗策略正在开发中。通过抑制内皮细胞的代谢,可以减少病理性血管的生成,从而阻止肿瘤的生长和转移。

图4 不同组织部位的内皮细胞

2.2.2 免疫细胞

免疫细胞通过多种途径影响肿瘤的血管生成过程。例如,T细胞(T Lymphocytes)中的效应T细胞可以分泌干扰素γ(IFN-γ)和其他细胞因子,这些因子可以抑制肿瘤血管生成或增强抗肿瘤免疫反应。而调节性T细胞(Tregs):在肿瘤微环境中,Tregs通常通过抑制免疫反应来促进肿瘤血管生成和肿瘤进展。

B细胞(B Lymphocytes)可以直接或者间接调控血管生成。B细胞可以分泌抗体,参与免疫反应。在某些情况下,它们分泌的细胞因子,如白细胞介素6(IL-6)和肿瘤坏死因子α(TNF-α),可能促进肿瘤血管生成。另外,B细胞还可以通过呈递抗原给T细胞,调节抗肿瘤免疫反应。

肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)在肿瘤微环境中,通常表现出促进血管生成和肿瘤进展的表型。它们分泌血管内皮生长因子(VEGF)、纤维母细胞生长因子(FGF)和其他生长因子,这些因子促进新血管的形成。其中,M1型巨噬细胞表现出抗炎和抗肿瘤的特性,可以抑制血管生成。M2型巨噬细胞通常与促进血管生成和肿瘤进展相关,通过分泌VEGF和其他促进血管生成的因子来促进新血管的形成。

图5 肿瘤血管生成的免疫细胞调控机制


03

肿瘤血管生成的关键分子和信号通路

在癌症的复杂世界中,血管生成是肿瘤生长和扩散的关键因素。其中,VEGF-A/VEGFR-2信号通路起着核心作用,它不仅促进内皮细胞的增殖和迁移,还诱导肿瘤的侵袭和转移。而PDGF/PDGFRs则在肿瘤血管生成和耐药性中扮演着关键角色,其过度表达与肿瘤进展密切相关。

同时,EGF/EGFRs信号通路也不容忽视,它通过激活下游信号网络,参与细胞生长、分化和肿瘤血管生成。此外,FGF/FGFR信号通路在伤口愈合和血管生成中也发挥着重要作用,尤其是FGF-2(bFGF)的过度表达与多种癌症的转移和不良预后相关。

这些信号通路的发现,为我们提供了抗癌的新思路。通过靶向这些关键分子,我们可以更精确地抑制肿瘤的血管生成,从而遏制肿瘤的生长和扩散。


图6 肿瘤血管生成的关键分子和信号通路


04

抗血管生成治疗耐药性机制

在抗癌的道路上,肿瘤细胞的耐药性是一个巨大的挑战。最近的研究揭示了肿瘤如何巧妙地规避抗血管生成治疗,通过非正规血管生成机制如血管模仿、共用和套叠来维持生长。此外,肿瘤细胞还能通过分泌一系列促血管生成因子,如血管生成素和PDGF,来抵抗治疗压力。更令人惊讶的是,它们甚至能招募骨髓来源的细胞来构建新的血管,或通过自噬过程来适应恶劣的肿瘤微环境。

这些发现对于癌症治疗具有重要意义,提示我们未来治疗策略需要多管齐下,针对肿瘤的多重耐药机制。通过结合靶向治疗、免疫疗法和传统治疗手段,我们可以更有效地打击肿瘤,提高治愈率。让我们携手科学,共同期待癌症治疗的新突破。

图7 抗血管生成治疗耐药性机制


05

肿瘤血管生成的研究热点和痛点

5.1 抗血管生成药物的耐药性

耐药性是抗血管生成治疗中的主要障碍。耐药性是如何在肿瘤细胞中发展起来的?肿瘤微环境中的哪些因素促进了耐药性的产生?哪些分子机制和信号通路与耐药性形成有关?如何设计新的治疗策略来预测和克服耐药性?

5.2 肿瘤微环境的异质性

肿瘤微环境的异质性影响肿瘤的进展和治疗反应。不同细胞亚群如何共同影响肿瘤的血管生成?如何利用微环境的异质性来提高治疗效果?

5.3 血管生成过程中的细胞间相互作用

细胞间相互作用对于血管生成至关重要。不同细胞类型如何协调血管生成过程?细胞间通讯如何影响血管的成熟和稳定?哪些关键分子介导了这些相互作用?

5.4 血管生成的复杂调控网络

血管生成受到多层面的调控。哪些关键因子和信号通路在血管生成中起核心作用?它们的相互作用如何影响血管生成?如何通过调控这些网络来抑制肿瘤血管生成?

5.5 血管正常化

血管正常化旨在改善肿瘤血管的效率。哪些因素决定了肿瘤血管的异常结构和功能?血管正常化如何影响药物递送和氧气供应?如何优化治疗策略以实现有效的血管正常化?


肿瘤血管生成的单细胞转录组的相关研究

表一 部分单细胞转录组与肿瘤血管生成的文章

接下来,我们将通过四个关键案例深入探讨单细胞转录组技术如何在肿瘤血管生成研究中发挥关键作用,揭示肿瘤微环境中细胞异质性和血管生成调控的新机制。


案例一:血管生成机制(寻因项目文章)

原名:Tumor vasculature at single-cell resolution

译名:单细胞分辨率下的肿瘤血管结构

期刊:Nature

影响因子:50.5

发表时间:2024.07

技术:单细胞转录组/空间转录组

科学问题:传统的研究方法往往只能提供宏观层面的认识,难以深入到单个细胞层面去揭示肿瘤血管生成的微观机制。单细胞技术可以更好揭示肿瘤血管生成。

技术路线:


图8 单细胞分辨率下的肿瘤血管结构的技术路线

案例二:肿瘤血管生成促进肿瘤转移

原名:M6A methylation reader IGF2BP2 activates endothelial cells to promote angiogenesis and metastasis of lung adenocarcinom

译名:单细胞数据分析m6A相关基因探究肺癌血管生成和转移

期刊:Molecular Cancer

影响因子:27.7

发表时间:2023.06

技术:多种验证实验,公共数据库

科学问题:转移性LUAD是如何形成血管生成,血管生成特异性的调节因子有哪些?

技术路线:


图9 m6A相关基因探究肺癌血管生成和转移技术路线

案例三:肿瘤血管生成细胞来源

原名:Delineating the early dissemination mechanisms of acral melanoma by integrating single-cell and spatial transcriptomic analyses

译名:通过整合单细胞和空间转录组分析描绘肢端黑色素瘤的早期传播机制

期刊:Nature Communications

影响因子:14.7

发表时间:2023.12.08

技术:单细胞转录组/空间转录组

科学问题:肢端黑色素瘤(AM)是一种罕见的黑色素瘤亚型,其特点是淋巴结(LN)转移率高,是肿瘤扩散和治疗决策的关键因素。然而在AM患者中,LN转移患者和非转移患者的原发性黑色素瘤病变的区别尚不清楚。

技术路线:


图10 肢端黑色素瘤的早期传播机制技术路线

案例四:肿瘤血管生成之靶向治疗

原名:Comprehensive characterization of the prostate tumor microenvironment identifies CXCR4/CXCL12 crosstalk as a novel antiangiogenic therapeutic target in prostate cancer

译名:全面刻画前列腺癌微环境识别CXCR4和CXCL1交互作为新的抗血管生成治疗靶点

期刊:Molecular Cancer

影响因子:27.7

发表时间:2022.07

技术:单细胞转录组

科学问题:前列腺癌(PCA)主要起源于前列腺上皮细胞,其基质细胞和上皮细胞之间相互作用的机制尚不清楚。越来越多的证据表明,基质细胞显着促进了转移性疾病的发展和雄激素剥夺治疗的耐药性。

技术路线:


图11 前列腺癌微环境识别CXCR4和CXCL1交互作为新的抗血管生成治疗靶点


寻因生物肿瘤血管生成研究的解决方案

研究方向1:结合空间转录组技术精准的定位到与血管生成的特定的细胞类型

在文章《 Identification of hypoxic macrophages in glioblastoma with therapeutic potential for vasculature normalization》中,作者通过scRNA数据鉴定出6种Mo-TAMs,其中Hypoxia-TAM与缺氧反应、促进血管生成相关。但是,存在分群模糊,特征基因重合的问题。

SeekSpace®空间技术以单细胞做空间定位,基因检出率高,可以完美解决分群模糊以及marker gene 重合的问题。


图12 6种Mo-TAMs的分群和定位

研究方向2:基于关键细胞类型研究细胞互作

血管生成是一个涉及多种细胞类型和信号通路的复杂过程。在这个过程中,内皮细胞、周细胞、免疫细胞和肿瘤细胞之间的相互作用至关重要。例如,内皮细胞可以响应VEGF等生长因子的刺激,增殖并形成新的血管。周细胞和平滑肌细胞则为新生血管提供结构支持。此外,免疫细胞可以通过分泌细胞因子影响血管生成。这些细胞间的相互作用确保了血管生成的精确调控。

SeekSpace®空间技术不仅具有单细胞的维度的基因表达信息,也具有位置信息,能够更加准确进行细胞互作研究。


图13 利用SeekSpace®技术展示细胞之间的互作

研究方向3:单细胞分辨率下解析肿瘤血管生成过程

在文章《Tumour vasculature at single-cell resolution》中,作者为了更好研究解析血管相关细胞与肿瘤微环境(TME)中各类细胞之间的相互作用,采用了空间转录组的数据来进行表征。但是,存在的问题是细胞定位模糊,以密度来表征,并非真实空间位置。

SeekSpace®空间技术以Spatial barcode标记细胞核的方式实现单细胞的空间定位,真实还原了细胞在空间上的位置信息。


图14 标记物在非小细胞肺癌中的表达和分布

研究方向4:单细胞分辨率下解析肿瘤血管3D重塑

肿瘤血管通常形态不规则,可能呈现出扭曲、扩张或异常分支的形态。肿瘤血管在不同区域之间存在显著的异质性,包括血管大小、形状和成熟度。

通过肺腺癌的SeekSpace®可以看到清晰的血管和淋巴管的结构。通过连续切片的方式,可以实现肿瘤血管的三维结构。可以解决肿瘤发生发展过程中,血管的正常化的可能性;血管重塑对免疫微环境的影响等科学问题。


图15 肺腺癌中的血管和淋巴管

借助SeekSpace®单细胞分辨率的空间技术,我们对肿瘤血管生成这一关键生物学过程的理解能够达到了前所未有的深度。这些创新技术不仅揭示了肿瘤微环境中细胞间的复杂相互作用,还为肿瘤血管正常化和3D重塑提供了新的视角。

展望未来,我们有理由相信,这些突破将为癌症的诊断和治疗带来革命性的变革,为患者带来新的希望之光。让我们共同期待科技进步在抗癌斗争中发挥更大的作用。


参考文献:

[1] Li SJ, Chen JX, Sun ZJ. Improving antitumor immunity using antiangiogenic agents: Mechanistic insights, current progress, and clinical challenges. Cancer Commun (Lond). 2021;41(9):830-850. doi:10.1002/cac2.12183.

[2] Li Shu-Jin,Chen Jia-Xian,Sun Zhi-Jun,Improving antitumor immunity using antiangiogenic agents: Mechanistic insights, current progress, and clinical challenges.[J] .Cancer Commun (Lond), 2021, 41: 830-850.

[3] Xu Yan, Ying Guo, Donglin Sun, Nan Wu, Yan Jin. Drug resistance mechanism of anti-angiogenesis therapy in tumor[J]. Hereditas(Beijing), doi: 10.16288/j.yczz.24-110.

[4] Rohlenova Katerina,Goveia Jermaine,García-Caballero Melissa et al. Single-Cell RNA Sequencing Maps Endothelial Metabolic Plasticity in Pathological Angiogenesis.[J] .Cell Metab, 2020, 31: 862-877.e14.

[5] Pan Xu,Li Xin,Dong Liang et al. Tumour vasculature at single-cell resolution.[J] .Nature, 2024, 632: 429-436.

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[8] Fang Han,Sun Qi,Zhou Jin et al. mA methylation reader IGF2BP2 activates endothelial cells to promote angiogenesis and metastasis of lung adenocarcinoma.[J] .Mol Cancer, 2023, 22: 99.

[9] Heidegger Isabel,Fotakis Georgios,Offermann Anne et al. Comprehensive characterization of the prostate tumor microenvironment identifies CXCR4/CXCL12 crosstalk as a novel antiangiogenic therapeutic target in prostate cancer.[J] .Mol Cancer, 2022, 21: 132.

[10] Wei Chuanyuan,Sun Wei,Shen Kangjie et al. Delineating the early dissemination mechanisms of acral melanoma by integrating single-cell and spatial transcriptomic analyses.[J] .Nat Commun, 2023, 14: 8119.

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