顶刊！2D 和 3D 空间中的肿瘤演化和微环境互作！

学术 2024-12-06 00:06 上海

癌症中经常出现治疗耐药亚克隆，肿瘤微环境 (TME) 通过多种机制进一步驱动耐药性。Bulk和单细胞技术都无法保留理解这些动态所需的空间信息，但空间转录（ST）组仪器（例如 Visium）可以解析肿瘤亚结构。

2024年10月，Nature杂志报道了华盛顿大学圣路易斯分校丁莉组通过结合 ST、CODEX（多重成像）和批量测序数据以及匹配样本的单细胞测序数据来分析分离的空间上不同的肿瘤区域，在2D 和 3D 空间中局部微环境的相互作用来理解肿瘤的空间演化，为肿瘤生物学提供了宝贵的见解（Tumour evolution and microenvironment interactions in 2D and 3D space）。

主要内容如下：

1.跨癌症的空间微区域

使用来自 98 个区块的 ST 数据对 131 个肿瘤切片进行了分析，涵盖 6 种癌症类型：54 个 BRCA、30 个 CRC、23 个 PDAC、12 个 RCC、5 个 UCEC 和 7 个 CHOL。使用组织学苏木精和伊红 (H&E) 染色和转录谱，将肿瘤微区域识别为空间上不同的癌细胞簇，由基质区域分隔开，并将 Visium 斑点指定为恶性或非恶性。还制作了 15 个肿瘤组织块的连续切片，从而产生了适合 3D 肿瘤重建的 48 个切片。根据每个肿瘤微区域的估计面积，将微区域大小分类。RCC 的肿瘤分数最高，而 PDAC 的肿瘤分数最低。

图1 肿瘤空间微区的定义

2.微区域的局灶克隆进化

使用 CalicoST 和 InferCNV 识别全基因组 CNV，通过过滤匹配全外显子组测序 (WES) 数据中的事件来选择每个微区域中的置信事件。然后，根据 CNV 相似性将微区域聚类成空间亚克隆。结果在 131 个切片中的 125 个切片中检测到空间 CNV，其中每个切片观察到 1-3 个亚克隆。将体细胞突变映射到ST 切片上，每个切片显示 1-98 个突变。样本 HT260C1（CRC 肝转移）包含 12 个肿瘤微区域，映射到 2 个空间亚克隆。两个克隆事件均通过匹配的核 RNA 测序 (snRNA-seq) 数据和基于 WES 的 CNV 推断进行了鉴定和确认。尽管组织学表明两个亚克隆之间存在纤维化分离，但多个共享的克隆 CNV 表明它们具有共同的起源。两个亚克隆均显示 LDHB 表达，并且亚克隆 c2 中突变 LDHB c.921G>A 的 VAF 显着高于 c1。

图2 遗传改变揭示了空间克隆进化

3.基因变化导致肿瘤差异

由于不同肿瘤异质性，使用了基于熵的方法 ROGUE 来分析肿瘤微区域之间的转录异质性，分析显示，PDAC 具有最高的异质性，而 BRCA、CRC、RCC 和 UCEC 具有中等水平（0.05–0.45），CHOL 具有最低水平。

为了进一步研究遗传改变和微环境适应对转录谱的影响，使用肿瘤微区域之间的成对皮尔逊相关性（方法）评估转录相似性，比较不同基因克隆内部和之间的差异。

4.肿瘤核心和边缘的细胞通路

进一步研究了与其前缘（肿瘤和 TME-基质之间的界面）相比，肿瘤微区域中心（核心）是否存在不同的转录程序。为此使用 Morph 测量每个肿瘤点与其最近的肿瘤 - TME 边界的距离。这些不同的生物过程表明，核心的恶性细胞正在积极进行蛋白质翻译，而边缘的恶性细胞则参与肿瘤迁移和免疫调节，与免疫和基质成分相互作用。

5.克隆特异性肿瘤与 TME 相互作用

为了研究肿瘤边界区域的 TME 组成，为此检查了肿瘤空间亚克隆之间非肿瘤细胞的差异浸润、此类浸润的位置和基因和 CCIs(细胞互作) 在边界区域富集情况，使用匹配的 snRNA-seq 数据作细胞类型反卷积，并对同一样本的所有空间亚克隆之间进行成对差异渗透分析。其中具有三个空间亚克隆的初级 BRCA 样本 HT397B1 在 T 细胞和巨噬细胞中显示出差异性浸润，其中亚克隆 c3 显示两者中比例最大。使用上述层分配来确定浸润是否表现出空间模式，并定义了从肿瘤核心到 TME 的六个有序区域：T3+、T2、T1、E1、E2 和 E3+。E1 和 E2 中巨噬细胞聚集在肿瘤外部，而 T 细胞在肿瘤外部（E1 和 E2）和肿瘤内部（T1 和 T2）均表现出浸润。在成纤维细胞占主导地位的远端 TME（E3+ 层）中，巨噬细胞和 T 细胞分数均减少。对边界区域 T1 和 E1 以及与所有其他点之间进行了差异表达分析表明肿瘤细胞和非肿瘤细胞在边界处存在相互作用。为了量化空间 CCI，对 18 个病例的 39 个切片运行 COMMOT，然后辨别肿瘤边界区域内外点之间的差异接收-发送信号。边界区域中最常见的 CCI 是细胞外基质 (ECM) 受体（胶原蛋白、层粘连蛋白、FN1 和 THBS）、分泌信号传导（SEMA3、SEMA4、ncWNT 和 MK）和细胞间粘附（EPHB 和 NOTCH）。

图3 空间肿瘤微区域内的免疫和基质浸润

6.3D 肿瘤结构和 TME 相互作用

为了以 3D 方式研究肿瘤生长模式和 TME 相互作用，对 BRCA、CRC、PDAC 和 CHOL 的肿瘤进行了连续切片，对 11 个样本进行 ST，对 2 个样本进行 CODEX。分析揭示了样本之间肿瘤体积数量的差异，其中 BRCA 显示体积数量最高。然后使用两个拓扑指标分析这些肿瘤体积的结构复杂性：1）连接性（程度），它测量与相邻微区域的连接数量，以及（2）每个体积的环数，它表明相邻部分的实例分裂和合并形成甜甜圈形状的结构。其中BRCA 肝转移样本 HT268B1-Th1H3，对其进行详细的 3D 体积重建和结构分析。该样本包含四个肿瘤体积。结果表明其存在大量分支和合并。

图4 3D 肿瘤体积重建揭示了不同的肿瘤生长模式

在BRCA肝转移样本 HT268B1 中，与先前定义的空间亚克隆至少有 60% 重叠的邻域被分类为肿瘤富集邻域，其余为 TME 邻域。其中两个邻域（4 和 6）与两个亚克隆的外围紧密接触。当在 3D 空间中查看时，邻域基本上连续地围绕着亚克隆。在两者中都发现了免疫反应（IFI27 和 HLA-DRA）和基质（BST2 和 SPARC）基因。

BRCA 样本 HT397B1 有两个主要的 TME 肿瘤形态区域：一个具有 DCIS（导管原位癌）和 IDC（浸润性导管癌）形态且包含克隆 1 和 2 的免疫冷区域，以及一个包含克隆 3 的免疫热 IDC 区域。根据 TME 邻域与克隆 3 的接触分数对它们进行分层，突出显示了顶部和底部四分位数。根据基于 CODEX 的细胞类型注释，与克隆 1 和 2 附近的区域相比，与克隆 3 相关的区域具有更高比例的 T 细胞和更少的成纤维细胞比例。为了进一步验证这些邻域的免疫基质状态，选择了两个感兴趣区域 (ROI)：ROI 1，位于免疫冷克隆 2 中，ROI 2 位于免疫热克隆 3 中。ROI 1 具有巨噬细胞、T 细胞和 B 细胞的比例较低，而 ROI 2 的这些细胞类型的水平要高得多。

图5 微区域边界区域中的肿瘤与 TME 相互作用表现出异质性

研究结果表明，基于 3D 肿瘤体积周围计算的细胞类型密度以及免疫、基质和上皮体积的生成，这些细胞类型关联以及 DCIS 和 IDC 样亚克隆在三个维度上是一致的。总体上，这些发现有助于通过 2D 和 3D 空间中局部微环境的相互作用来理解肿瘤的空间演化，为肿瘤生物学提供了宝贵的见解。

芒果师兄

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