数字空间转录组学技术用于口腔癌的淋巴结转移研究
文章题目：口腔癌中的中间成纤维细胞和髓系细胞的空间分布决定淋巴结转移
期刊：Journal of Translational Medicine
DOI: 10.1186/s12967-024-05511-1
01 研究背景
由于治疗方案有限和缺乏治疗靶点，口腔癌一直是一个重大健康挑战，大多数(40%)口腔癌发生在牙龈颊部，表现为鳞状细胞癌（GB-OSCC），本研究旨在探讨GB-OSCC肿瘤侵袭边缘的基因和细胞类型的定位，以了解不同距离下的侵袭边缘如何导致淋巴结转移。
DSP技术ROI圈选及研究区域与结论概括
02 主要结果
1. GB-OSCC肿瘤样本的空间转录组分析可将肿瘤边缘与TME区分开
基于ROI（感兴趣区域）的类型进行UMAP分析：（Immune-cells）免疫细胞、（Normal）正常鳞状上皮、（Tumor-centre）肿瘤中心（肿瘤与免疫细胞之间的距离为200 µm）、（Tumor-Margin）侵袭性肿瘤边缘（肿瘤细胞与免疫细胞之间的距离分别为<200 µm、>200、300和500 µm）、（Tumor-only）肿瘤区（仅含肿瘤细胞）。根据PanCK+AOI和PanCK−AOI，可以清晰地区分各区域。基于淋巴结状态生成的UMAP图表明，样本间的分离取决于区域类型而不是淋巴结状态。使用变异系数(CV%)计算前100个高度可变基因，进行系统聚类后，将AOI分为两大类。第一簇由来自间质末端的AOI组成，第二簇由来自肿瘤末端的AOI组成。
空间距离划分转录组数据特征
2. 肿瘤边缘的基因对淋巴结转移至关重要
对淋巴结阳性(n=10)和淋巴结阴性(n=13)患者的ROI进行了整体差异基因表达分析。FN1基因在淋巴结阳性区域中高度上调，其中在肿瘤边缘观察到表达增加，与正常上皮区域有显著差异。COL5A1基因在淋巴结阳性病例中高度上调，其中在基质末端和距离> 500 µm的TME中的细胞之间观察到显著的表达差异，在肿瘤边缘和肿瘤区域之间也存在差异。火山图显示了淋巴结阳性和阴性ROI之间最高上调和下调的基因。淋巴结转移病例在侵袭边缘< 200µm处表现出较高的基因表达包括FN1、COL5A1、COL6A3等。DAVID 功能富集分析表明有淋巴结转移的病例中，基质生物学和免疫功能被破坏。
淋巴结阳性和阴性患者ROIs的基因表达空间分布图及功能结果
3. 分布在肿瘤边缘的ECM基因有助于肿瘤转移
评估了已知转移标记物的空间分布，包括PDPN、ZEB1和LAMB3。结果发现PDPN和LAMB3在肿瘤末端过度表达，而ZEB1在肿瘤边缘的间质末端表达更多。多重IHC显示FN1和COL5A1在侵袭边缘的TME的成纤维细胞样细胞中共同定位，且在有淋巴结转移的病例中，两种蛋白共存的细胞数量较多。因此肿瘤边缘的FN1和COL5A1有助于淋巴结转移。
转移基因表达的空间分布图
4. 肿瘤边缘是淋巴结转移的活跃部位，基质末端的CAFs有助于ECM的形成
基于肿瘤和免疫细胞状态之间的距离，对不同ROI类型的标志基因集（左）和OSCC特异性功能基因（右）进行了GSVA分析，淋巴结阳性肿瘤边缘的肿瘤末端，DNA修复、未折叠蛋白反应、mTORC1、E2F和氧化磷酸化途径更活跃。肿瘤边缘的基质末端，血管生成、蛋白质分泌、顶端表面和NOTCH信号通路更活跃。p-EMT包含与基质金属蛋白酶、层粘连蛋白和整合素等ECM成分相关的基因，调节肿瘤侵袭和转移，在距离< 200 m的边缘处过表达。因此得出结论，肿瘤边缘是淋巴结转移的活跃部位。基质末端的CAFs也有助于ECM的形成。
OSCC的GSVA富集分析结果
5. 淋巴结转移的病例在基质末端包含更多的Treg细胞和癌症相关成纤维细胞
利用Spatial Decon分析OSCC中的癌症免疫细胞类型丰度，发现嗜中性粒细胞在肿瘤末端更普遍。CD4-T细胞、内皮细胞、成纤维细胞、NK细胞和Treg细胞在基质末端更多。具有淋巴结转移的病例在基质末端包含更多的Treg细胞和成纤维细胞，CD8+和CD4+记忆细胞在延伸的距离处更丰富。中间静止的成纤维细胞和肌细胞在肿瘤末端区域中普遍存在，而CD4+、CD8+和CD8+耗尽的T细胞在基质末端更丰富。中间静止的成纤维细胞和肌细胞在肿瘤末端区域中普遍存在，而CD4+、CD8+和CD8+耗尽的T细胞在基质末端更丰富。H&E图像表明嗜中性粒细胞、CAFs和胶原存在于肿瘤边缘。Pearson’s 相关性分析表明FN1 和COL5A1 与基质成纤维细胞呈正相关。FN1或COL5A1与中性粒细胞都没有相关性。
OSCC肿瘤末端和基质末端中的免疫细胞类型分析
03 总结
本研究通过数字空间转录组学技术（DSP）对23例切除的GB-OSCC肿瘤组织样本进行基因表达分析，描述了肿瘤与其微环境（TME）在不同距离的差异基因表达，并通过去卷积和免疫组化鉴定调节TME的细胞和基因。研究发现，肿瘤-基质界面（肿瘤与免疫细胞之间距离达200微米）是GB-OSCC疾病进展中最活跃的区域。显著差异表达的基因，如FN1和COL5A1，位于边缘的基质末端，这些基因与细胞外基质（ECM）的富集、免疫抑制以及淋巴结转移有关。中间成纤维细胞、肌细胞和中性粒细胞在肿瘤末端富集，而癌症相关成纤维细胞（CAFs）则在基质末端富集。中间成纤维细胞转化为CAFs，并迁移到邻近的基质末端，参与了FN1介导的ECM调节。该研究充分利用了DSP技术在空间区域进行基因表达检测的优势，为理解肿瘤的转移机制提供了新的见解。
