利用10x Visium空间转录组技术揭示非小细胞肺癌的空间轨迹
文章题目：Spatial transcriptome sequencing revealed spatial trajectory in the Non-Small Cell Lung Carcinoma
中文题目：空间转录组测序揭示了非小细胞肺癌的空间轨迹
发表时间：2021年4月26日
发表期刊：bioRxiv
发表单位：四川大学华西医院精准实验室 李为民教授团队
研究背景
肺癌占恶性肿瘤的22.7%。非小细胞肺癌 (NSCLC) 占所有肺癌的 80% 以上，其中，又分为两种主要的组织学亚型：肺腺癌 (40%~50%, LUAD) 和肺鳞癌 (30%, LUSC) 。正如我们所知，基因表达谱、表观遗传和肿瘤起源会影响细胞程序并导致 NSCLC 不同的疾病发病机制。此外，LUSC 表现出比 LUAD 更快的进展速度。获取细胞空间位置，了解肿瘤微环境和癌症转移机制对未来NSCLC的治疗具有重要意义。
研究方法
本文使用 10x Genomics Visium 平台对从 12 名接受手术切除的个体收集肺肿瘤组织，进行了空间转录组学（LUAD 4 个样本和 LUSC 8 个样本）研究，每个切片都由经验丰富的病理学家仔细检查，并注释切片中的不同形态区域，包括肿瘤、基质、免疫细胞等。这些注释要么作为后续无监督分析的参考，要么直接用于从感兴趣的区域中挑选空间点。本文对每个样本进行Visium空间转录组文库构建，主要针对肿瘤区域和感兴趣的重要组织区域进行空间微环境基因表达分析、细胞类型识别、细胞轨迹重建、细胞与细胞在形态学上的相互作用等分析。
研究结果
01-肺癌空间数据研究概述
LUSC 之间的spots类型有很大差异（下图 b）。考虑到肿瘤异质性和不同患者的个体差异，本文接下来对每个切片进行单独分析，以确保结果的准确性。为了更好地理解这些已划分空间分布的细胞类型的分布，我们将簇映射回它们在空间上确定的空间位置，可以匹配解剖注释的不同模式（下图 c ）。以LUAD_1为例，Cluster 0高表达的SFTPC、STTPD，主要代表AT2细胞。Cluster 1 主要涵盖组织中特异性表达 SLPL、SCGB3A1 的分泌细胞。Cluster 2为肿瘤组织，SCD、SFTA2、DMBT1是肿瘤相关标志物，表达高于其他簇。Cluster 3 确定了特定的AOPC1、CHIT1，Cluster 4 的表达基因，被认为是主要以成纤维细胞为代表的肿瘤基质组织。本文进一步对每个簇进行了GO分析（下图d），GO通路与解剖注释匹配良好，进一步解释了Cluster的生物学过程。我们进一步比较了 LUAD 和 LUSC 空间转录组数据，在同一癌症类型内具有良好的兼容性（下图 e），LAUD 和 LUSC 之间的显着差异表明它们可能具有不同的空间转录表达模式。
02-LUAD和LUSC的空间转录组存在肿瘤微环境异质性
SLPI、SCGB3A1、SCGB3A2、MS4A15和NR4A1等与恶性肿瘤相关的基因在LUAD_1中高表达，而SPP1、GSTA1、MAL2和MGST1等与肿瘤的转移和肿瘤细胞的增殖相关的基因在LUSC中高表达。除此之外，LUSC的空间肿瘤微环境显著富集与上皮-间质转化相关的通路。这些结果匀表明LUSC表现出了更强的侵袭能力，可直接向周围的淋巴结转移。
03-沿空间轨迹的瞬时基因表达模式
沿着肿瘤的侵袭轨迹发现，DSG2和SPRR3等促进肿瘤增殖相关的基因调节细胞增殖，在非小细胞肺癌中侵袭和细胞凋亡过程中减少，而肿瘤进展相关基因BGN和转移生长相关基因POSTN的功能逐渐增强。此外，能量代谢过程途径沿轨迹减少，而细胞外基质组织、免疫反应、抗原处理和呈递在肿瘤基质中增强。
04-肿瘤克隆亚型空间表达的异质性
将肿瘤细胞重新聚类为4个亚群。肿瘤亚群之间的差异富集通路存在显著差异。所有亚群都是恶性肿瘤细胞，并且含有不同程度的CNV变异。上皮间质转化（EMT）评分高的亚群在患者间相似，这些克隆亚型不同于侵袭与转移相关的上皮间质转化水平。此外，肿瘤克隆亚型的免疫细胞组成与肿瘤比例有明显差异，而且肿瘤纯度与肿瘤EMT的趋势相反。
05-肿瘤内的空间轨迹推断
拟时序分析发现肿瘤细胞的空间轨迹方向，总是从Cluster 1开始，然后指向其他子群，呈现出发散的状态。这可以解释为克隆亚型之间的进化轨迹是从具有低转移侵袭性的克隆亚型开始，并逐渐进化为具有高侵袭和转移能力的克隆亚型。LUSC_1具有两个分支，其中主要分支又具有多个亚分支，是肿瘤主要的演化轨迹。LUSC_3也呈现出类似的结果，这反映了LUSC克隆亚型进化固有的分支进化。
