人肝肿瘤微环境单细胞图谱
文章信息
文章题目：A single cell atlas of the human liver tumor microenvironment
期刊：Molecular Systems Biology（IF:8.9）
日期：2020年11月
DOI: https://doi.org/10.15252/msb.20209682
总览
肿瘤细胞与组成肿瘤微环境tumor microenvironment (TME) 的基质细胞之间的相互作用，影响了恶性细胞的生长。人的肝脏是肿瘤和转移的主要部位。在这些病理情况中，不同细胞类型间分子类型和细胞间相互作用还不清楚。在这篇文章里，作者对5例胆管癌或肝转移患者的恶性和邻近非恶性肝组织进行单细胞RNA测序和空间转录组分析。发现基质细胞表现出重复的，与患者无关的表达程序，并重建了突出肿瘤-基质相互作用的配体-受体图。通过结合激光捕获显微切割区域的转录组学，作者在非恶性肿瘤部位重建了肝细胞分区图谱，并表征了整个细胞在肿瘤微环境中的空间分布。这一研究为了解人类肝脏恶性肿瘤提供了数据支撑，并且揭示了潜在的干预措施。
3例样本因结直肠转移而接受肝切除，2例样本因肝内胆管癌而切除，1例因良性囊肿而接受切除。作者将组织解离为单个细胞，并使用MARS-seq测量其转录组。同时，作者使用激光捕获显微切割（LCM）和单分子荧光原位杂交（smFISH）保存组织用于空间分析。
单细胞测序技术
MARS-seq LCMseq
分析细胞数量
六名接受肝切除术的患者的组织，共分析7947个细胞（来自恶性部位的4,140个细胞和来自非恶性部位的3,807个细胞）
主要单细胞分析结果
人肝肿瘤微环境的细胞图谱
除胆管癌患者p2外，非恶性部位均未显示纤维化的组织学征象。这些细胞形成了17个簇，作者根据已知的标记基因和肝硬化人类肝脏的最新细胞图谱对其进行注释（如图）。来自非恶性肝部位的细胞包括肝细胞簇和几个非实质细胞群-肝星状细胞，血管平滑肌细胞（vSMC），库普弗细胞，T细胞，B细胞，肝窦窦内皮细胞（LSEC），肝血管内皮细胞（LVEC）和胆管细胞，后者与癌细胞成簇。
恶性和非恶性位点之间TME基因表达的差异
与非肿瘤内皮细胞相比，在肿瘤内皮细胞中升高的基因包括von Willebrand因子VWA1，其编码先前显示出促进肿瘤细胞外渗的糖蛋白以及SOX17。和INSR，均显示出促进肿瘤血管生成的作用。恶性肝脏中的免疫细胞群主要包括疤痕相关的巨噬细胞（SAM）。这些细胞表达标记基因CD9和TREM2（肝细胞癌中的肿瘤抑制因子）。SAM基因的GSEA分析导致顶端连接基因和补体系统显着富集。来自非恶性肿瘤部位的T细胞群体主要由细胞毒性T细胞组成，表达CCL5GZMK和NKG7。作者进一步评估了胆管癌患者和转移患者的肿瘤部位之间的内皮细胞，单核吞噬细胞和T细胞的表达特征的差异。内皮细胞和T细胞在这两种病因之间没有表现出差异表达。相比之下，胆管癌样品中单核吞噬细胞的趋化因子如CCL4，CCL4L2和CCL3L3上调，而转移性患者的细胞外重塑基因如MMP19，MMP12和HS3ST2则表达上调。
空间转录组学确定肝细胞的分区模式
组织和实体瘤中的细胞位于通常表现出氧气水平，养分利用率和形态发生因子浓度变化的区别。这些反过来又可以产生基因表达的空间异质性，并导致不同细胞类型的独特空间表达。
作者开发了将scRNA-seq与激光捕获显微解剖（LCM）组织的转录组学相结合的方法，以推断肠道中基因的分区模式。作者试图应用这种方法来获得人类肝细胞的分区模式。作者使用LCM解剖非恶性肝部位内的六个小叶区，横跨中心静脉和门结（如图）。作者从每个区域提取RNA，并使用mcSCRBseq进行批量RNAseq，这是一种用于对超低mRNA水平进行测序的灵敏方法。
作者发现，正如在小鼠中观察到的那样，许多肝细胞基因沿小叶radial轴显着分区。
TME种群的空间分布
作者使用LCM解剖了四名患者的63个组织区域。这些区域包括肿瘤边界（tb），肿瘤核心（tc），肿瘤与纤维化区域之间的边界（ftb），纤维化区域内的肿瘤胰岛（ti）和纤维化区域。
作者在这些区域上进行了批量RNAseq，并根据批量测量结果，使用了单细胞图集中细胞类型的表达特征来估计每种细胞类型的比例。发现不同的细胞类型差异地处于不同的肿瘤区。如预期的那样，肝细胞在肿瘤边界区域最丰富，而从其他肿瘤区域几乎完全耗尽。CAF在纤维化区域最丰富。表现出的空间丰度与LVECt的高度丰度非常重叠，这是与物理空间预期所一致。
总结
近年来，已经开发了多种用于重建组织中空间基因表达谱的方法。事实证明，使用LCMseq或smFISH等技术将单细胞RNAseq与标志性基因的外部空间测量相结合是特别准确的。作者对沿肝小叶周围中心轴的激光捕获显微切割区域的转录组的测量能够重建人类的干细胞分区图，具有高的空间分辨率。这可以帮助人体肝脏代谢功能建模。
作者的研究将单细胞转录组学与空间分析技术相结合，以重建恶性和非恶性人类肝脏的细胞图谱。肿瘤异质性阻碍了癌症治疗，这归因于患者特定的体细胞突变和表观遗传学变化。人类肿瘤中类似的单细胞图谱对于了解不同细胞对恶性过程的作用至关重要。