肿瘤微环境的组成对多种癌症的治疗预后和生存存在重要的影响。迄今为止，针对胃癌微环境的组成尽管已有部分研究，但这些研究对胃癌微环境中的各种细胞功能与角色，以及胃癌微环境中影响预后的关键特征仍缺乏深入刻画。
2022年12月22日，北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）、生命科学学院、北京未来基因诊断高精尖创新中心（ICG）张泽民课题组在国际期刊Genome Biology杂志上在线发表了题为Parallel single-cell and bulk transcriptome analyses reveal key features of the gastric tumor microenvironment的研究论文。这一研究通过对24例胃癌标本进行肿瘤与癌旁正常组织的单细胞与组织整体转录组的平行分析，解析了胃癌微环境中存在的81个细胞亚型，并对其转录组特征和功能状态进行了精确描述。研究发现，相对于癌旁正常组织，胃癌微环境中显著富集数个激活的成纤维细胞与内皮细胞亚群。通过细胞间相互作用网络构建和对独立队列的生存分析，发现免疫抑制性髓系细胞亚群、调节性T细胞，与上述成纤维细胞和内皮细胞共同形成了一个免疫抑制性微环境。这一微环境特征与较差的胃癌预后生存和抗PD-1治疗不响应显著相关。另一方面，IFNγ通路激活的T细胞亚群与表达HLA-II的巨噬细胞亚群特征与较好的免疫治疗响应和预后生存相关。这一研究为胃癌微环境的精确刻画和新生物标志物的发现提供了宝贵资源，也为胃癌的基础研究和临床诊疗提供了关键信息。
本研究的实验设计及胃癌微环境的组成成分和主要基因表达特征
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激活的成纤维细胞与内皮细胞亚群决定了
胃癌微环境的特征
首先，研究人员系统解析了胃癌及癌旁微环境在单细胞水平上的组成。本研究在胃癌及癌旁微环境中解析出81个细胞亚型，涵盖了12个主要细胞类型，并深入描述了各亚群的功能特征。通过单细胞与组织整体转录组联合分析，发现数个细胞亚型在癌组织中出现了显著富集，同时表现出了独特的基因表达特征。
其中，特异性表达CTHRC1的癌症相关成纤维细胞F13亚群表现出强烈的受激活肌成纤维细胞的特点，包括COL3A1、ACTA2、以及CTHRC1的高表达，其基因特征也在多个癌种中频繁出现，且呈现出显著的恶劣预后影响。同时，激活的内皮细胞如EN10-SERPINE1和EN03-ESM1等，也出现了显著的癌组织富集，并表现出增强的血管生成相关通路活动和减弱的抗原呈递相关通路活动。受激活内皮细胞的基因特征也对病人预后存在恶劣影响。这些关键细胞亚群的确认，揭示了部分癌细胞以外的基质细胞对胃癌恶性微环境的重要塑造作用，也为胃癌的发展和转移提供了潜在的治疗靶标。
胃癌微环境中的成纤维细胞组成、特征、富集情况及生存影响
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胃癌微环境中的髓系细胞与淋巴细胞
浸润特点
包括髓系细胞和淋巴细胞在内的炎症细胞浸润，是多种正常组织及实体瘤微环境的重要组成成分。本研究对胃癌及癌旁微环境的髓系细胞亚群分布特征和功能特征进行了刻画。研究发现数个抑炎性的髓系细胞亚群M07-APOE、M11-SPP1、M04-C3等在胃癌微环境中显著增加，显示其对形成胃癌中的免疫抑制压力具有重要贡献。同时，标志这些细胞亚群的抑炎性基因特征与较恶劣的生存相关，进一步显示了免疫抑制性微环境对胃癌预后的影响。另一方面，胃癌微环境中的浸润淋巴细胞则表现出了与其他癌种相似的分布和功能特征。免疫抑制性的Th17细胞和调节性T细胞均在胃癌中增多，符合了胃癌微环境的免疫抑制特点。
胃癌微环境中的髓系细胞组成、特征、富集情况及生存影响
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细胞间相互作用分析揭示了胃癌微环境
塑造和免疫逃逸的关键因子
为了进一步研究胃癌及癌旁微环境中细胞间的相互调节及对微环境的重塑，研究人员基于各个细胞亚群的基因表达特征，构建了一个细胞群之间的相互作用网络，并对网络中的关键细胞群和相互作用的关键分子进行了识别。研究发现，前文揭示的多个重要的基质细胞亚群与髓系细胞亚群在细胞间相互调节上也表现出关键的作用。激活性成纤维细胞F13-CTHRC1在胃癌微环境网络中占据核心地位，在癌旁正常组织网络中则不再发挥核心作用。这一关键细胞亚群同时又与前述其他的肿瘤中富集的基质细胞与免疫细胞产生广泛联系，参与调节了多种免疫抑制过程，且这些调节过程所依赖的受体配体分子表达水平在肿瘤中广泛上调。
这些发现从多个角度互相印证，指示了胃癌形成免疫抑制性微环境的组织重塑过程，与驱使这一过程的关键细胞角色和分子信号。除基质细胞与免疫细胞的互相调节与环境重塑外，部分细胞类型还与癌细胞发生直接的相互作用与调节。例如恶性细胞EP11-CLDN7通过LGALS9-HAVCR2与HVEM-CD160等已知的免疫检查点抑制CD8+ T细胞的杀伤能力；EP11-CLDN7与F13-CTHRC1通过FZD5–WNT5A信号相互调节，暗示F13-CTHRC1可能具有促进肿瘤细胞迁移的作用等。
胃癌微环境相互作用网络发现的关键细胞亚群与关键受体配体分子
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单细胞与组织整体转录组联合分析发现了
影响胃癌预后与免疫治疗响应的重要因素
最后，研究人员应用本研究精确描绘的细胞亚群表达特征，在TCGA和另一个抗PD-1治疗的胃癌队列中进行了细胞特征的打分。这部分分析发现，前文所描述的多个胃癌微环境群体在胃癌预后上具有显著的影响，且其趋势与本研究对其功能特征的假设相吻合。除这些发挥促肿瘤作用的细胞外，树突状细胞亚群M16-cDC-CLEC9A的基因表达特征与良好的胃癌生存存在显著相关，暗示这一细胞类群可能对抗肿瘤免疫过程具有重要意义。在接受抗PD-1治疗的胃癌队列中，CD8+ T细胞的特征尤其是T27-cycling的特征与较好的治疗响应相关，而成纤维细胞特征尤其是F14-ADAM28的特征与较差的治疗响应相关。
单细胞与组织整体数据联合分析揭示胃癌免疫治疗响应的细胞身份
综上，本研究产生了一个多维度的胃癌及癌旁微环境组学图景，并通过多维度证据互相印证，识别了塑造胃癌微环境的多个重要细胞亚群组分和转录模块，对于进一步理解胃癌的生物学具有重要意义。本研究所揭示的重要细胞亚群和关键分子，有助于进一步开发新的胃癌治疗方案与病人分层标志物，提升胃癌诊断与免疫治疗效率和效果。本研究所采用的分析思路也为其他癌症和相似疾病的微环境研究提供了有利的参考。
来源：北京大学生物医学前沿创新中心
论文链接：
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02828-2
转自：“威斯腾生命科学研究院”微信公众号
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