單細胞轉(zhuǎn)錄組測序在肝癌應(yīng)用思路及項目經(jīng)驗中的應(yīng)用

肝臟在人類生理中起著至關(guān)重要的作用，其具有獨特的再生能力可以修復(fù)急性損傷以維持其正常生理功能。然而肝功能障礙可能導(dǎo)致多種危及生命的疾病，肝癌是全球癌癥死亡率第二高的癌癥，在我國發(fā)病率和死亡率分別位居第四位和第三位。肝細胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）最為常見，占原發(fā)性肝癌的70％~90％。肝癌的治療失敗、耐藥性和高死亡率與惡性細胞的異質(zhì)性以及復(fù)雜的腫瘤微環(huán)境（TME）密切相關(guān)。因此，了解肝癌的細胞圖譜和分子組成，對于腫瘤生物學研究和開發(fā)新的治療策略至關(guān)重要。單細胞測序是研究腫瘤微環(huán)境中細胞成分及其相互作用的有力工具，已被廣泛應(yīng)用于大量腫瘤異質(zhì)性研究。目前，單細胞測序技術(shù)已經(jīng)為肝癌腫瘤微環(huán)境、腫瘤發(fā)生發(fā)展機制、克隆進化、免疫治療等方面提供了深入見解。

下面小編將從研究進展、應(yīng)用方向、百邁客項目經(jīng)驗三個方面分別進行介紹，總結(jié)出單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在肝癌中的代表性文章，希望為各位老師提供一些新的研究思路。

研究進展

單細胞測序技術(shù)自2009年問世以來，在研究人員和臨床醫(yī)生中越來越受歡迎。與bulkRNA-seq相比，scRNA-seq最顯著的優(yōu)勢在于對腫瘤異質(zhì)性的詳細描述，包括HCC在內(nèi)的許多惡性腫瘤的棘手問題。scRNA-seq繪制了單個肝癌細胞的基因表達圖譜，并確定了容易被忽視的耐藥亞群的特征，尤其是在CSC中。腫瘤間異質(zhì)性（ITH）阻礙了HCC治療結(jié)果的改善。同時，scRNA-seq通過繪制免疫細胞的綜合景觀來實現(xiàn)腫瘤免疫。對于HCC患者，T細胞、B細胞、NK細胞、TAM和DC已被鑒定并具有特征基因。幾種新發(fā)現(xiàn)的細胞亞型，例如MAIT，DPT細胞和LAMP3+ DCs可能為開發(fā)新的靶向免疫療法帶來新思路。此外，腫瘤免疫微環(huán)境不是靜止的，單細胞分析有助于揭示多種免疫細胞亞型的起源和動態(tài)轉(zhuǎn)變。在各種腫瘤浸潤淋巴細胞和骨髓細胞中，CD8+T細胞的發(fā)育軌跡已得到充分研究。結(jié)合scRNA-seq、單細胞TCR測序分析可能有助于評估新抗原特異性、細胞毒性和異質(zhì)T細胞亞群的進化連通性。此外，針對生物事件的治療有利于CTC存活，例如EMT和Treg募集，在控制HCC血源性轉(zhuǎn)移和肝移植受者復(fù)發(fā)方面顯示出巨大潛力。通過scRNA-seq除了鑒定肝癌惡性和非惡性細胞、細胞亞群和/生物標志物深入剖析HCC異質(zhì)性，也可以為個體化聯(lián)合治療提供理論依據(jù)。^【1】

應(yīng)用方向

1、繪制肝癌異質(zhì)性圖譜

案例1、單細胞轉(zhuǎn)錄組測序揭示了HBV相關(guān)肝細胞癌的免疫抑制圖譜和腫瘤異質(zhì)性^【2】

標題：Single-cell RNA sequencing shows the immunosuppressive landscape and tumor heterogeneity of HBV-associated hepatocellular carcinoma

期刊名稱：Nat Commun

影響因子：12.121

發(fā)表日期：2021年6月

樣本設(shè)計：8例HCC患者的腫瘤組織

研究內(nèi)容：本研究通對HBV 相關(guān)人類肝細胞癌 (HCC) 患者進行單細胞測序，研究發(fā)現(xiàn)腫瘤相關(guān)巨噬細胞抑制腫瘤 T 細胞浸潤，Treg細胞又會進一步使腫瘤浸潤性 T 細胞和 NK 細胞因行使天然的腫瘤免疫功能進一步處于耗竭狀態(tài)。此外，研究發(fā)現(xiàn)，TIGIT-NECTIN2 相互作用調(diào)節(jié)免疫抑制環(huán)境，在HCC 小鼠模型中敲除敲低Nectin2會持續(xù)誘發(fā)腫瘤變小、恢復(fù) T 細胞浸潤并減少T 細胞耗竭，進一步證明TIGIT-NECTIN2靶向治療HCC的潛力。

案例2、單細胞轉(zhuǎn)錄組學揭示了肝癌中腫瘤內(nèi)異質(zhì)性和干細胞相關(guān)亞群的圖譜^【3】

標題：Single-cell transcriptomics reveals the landscape of intra-tumoral heterogeneity and stemness-related subpopulations in liver cancer

期刊名稱：Cancer Lett

影響因子：7.36

發(fā)表日期：2019年6月

研究內(nèi)容：根據(jù)EPCAM表達，HCC 單細胞顯示出兩個不同的主要細胞群。在EPCAM +細胞群中多個癌基因表達上調(diào)，另外EPCAM +細胞群中還存在一個CD24 + /CD44 +的稀有細胞亞群，可能是新的干細胞相關(guān)亞型，CTSE是該群細胞中上調(diào)最多的特征基因。敲除CTSE顯著降低了體外腫瘤細胞的自我更新能力和體內(nèi)致瘤性能力， CTSE的干性作用通過裸鼠體內(nèi)致瘤性測定得到進一步證實。研究表明單細胞基因組是描繪 HCC 腫瘤異質(zhì)性的有利工具，可以鑒定到稀有的細胞亞群，長遠來看能更好的指導(dǎo)精準醫(yī)療。

案例3、單細胞測序揭示肝癌免疫微環(huán)境的動態(tài)特征^【4】

標題：Landscape and Dynamics of Single Immune Cells in Hepatocellular Carcinoma

期刊名稱：cell

影響因子：38.637

發(fā)表日期：2019年8月

樣本設(shè)計：16例肝癌（HCC）患者癌、癌旁、淋巴結(jié)、血液和腹水樣本，分選CD45+細胞

研究內(nèi)容：本研究發(fā)現(xiàn)免疫細胞類型表現(xiàn)出不同的組織偏好性，T 細胞中，包含調(diào)節(jié)型 T 細胞、耗竭型CD8+ T細胞和增殖型 T 細胞，主要在腫瘤中富集，髓系細胞主要在腹水中富集。腹水是肝癌患者常見的病理現(xiàn)象，其產(chǎn)生與肝癌預(yù)后不良有關(guān)，然而腹水中的免疫細胞組成及其與肝癌的聯(lián)系尚不清楚。研究者為了探究腹水中細胞的潛在起源，將腹水的免疫細胞與其他組織細胞進行比對分析，發(fā)現(xiàn)腹水中的淋巴細胞和髓系細胞來源明顯不同，淋巴細胞主要映射到血液、腫瘤和鄰近肝臟中，而髓系細胞主要定位于腫瘤組織。基于線粒體突變的譜系追蹤結(jié)果顯示，腫瘤組織和腹水中的細胞具有共同譜系。隨后作者研究了腹水和其他組織中巨噬細胞的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)巨噬細胞存在從腫瘤到腹水遷移的過程。作者對不同組織部位的免疫細胞進行綜合表征分析，探究了免疫細胞在癌癥環(huán)境中的動態(tài)特性，從而揭示TME、LN和腹水中髓系細胞和淋巴細胞的差異譜系和遷移關(guān)系。

案例4、腫瘤細胞生物多樣性驅(qū)動肝癌微環(huán)境重編程^【5】

標題：Tumor Cell Biodiversity Drives Microenvironmental Reprogramming in Liver Cancer

期刊名稱：Cancer Cell

影響因子：26.604

發(fā)表日期：2019年12月

樣本設(shè)計：9例肝癌（HCC）患者和10例肝內(nèi)膽管癌（iCCA）患者

研究內(nèi)容：本文構(gòu)建了19名HCC和iCCA患者的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，并開發(fā)了一種測量與預(yù)后相關(guān)的 ITH 程度的方法。研究發(fā)現(xiàn)腫瘤內(nèi)和腫瘤間的惡性細胞以及腫瘤微環(huán)境存在不同程度的異質(zhì)性。VEGFA 對CAF、TAM和TECs具有特異性，對T細胞不具有特異性，同時，VEGFA主要在惡性細胞中表達。VEGFA是缺氧誘導(dǎo)因子 1-α (HIF1A) 的直接靶標，HIF1A 是感知缺氧的關(guān)鍵因素，缺氧可直接誘導(dǎo)HIF1A轉(zhuǎn)錄及其蛋白水平，從而激活其下游的缺氧信號。表明惡性細胞VEGF 表達與 TME 重編程有關(guān)，從而促進有利于腫瘤進展的免疫抑制環(huán)境。此研究表明，測量腫瘤細胞的生物多樣性可能是一種可行的方法，可以確定腫瘤進化的共同特征，以預(yù)測肝臟腫瘤的侵襲性。研究為免疫檢查點抑制劑和抗 VEGF 的聯(lián)合治療以提高治療效果提供了基本原理。

2、肝癌發(fā)生發(fā)展機制（腫瘤-免疫循環(huán)系統(tǒng)）

案例5、先天淋巴細胞ILC2通過 CXCL2-中性粒細胞誘導(dǎo)的免疫抑制促進 HCC 進展^【6】

標題：Group-2 Innate Lymphoid Cells Promote HCC Progression Through CXCL2-Neutrophil-Induced Immunosuppression.

期刊名稱：Hepatology

影響因子：14.679

發(fā)表日期：2021年11月

樣本設(shè)計：1個HCC患者及正常肝臟樣本，分選LIN-造血細胞用于單細胞測序

研究內(nèi)容：固有淋巴細胞已經(jīng)在不同類型的腫瘤中被鑒定到，它是一類沒有重組抗原特異性的先天免疫細胞，主要分為ILC1、ILC2和ILC3家族。目前研究較多的ILC2因其沒有T細胞和B細胞接受體，因此其功能以上下游依賴的方式變化，盡管在一些肝臟疾病中有被研究，但ILCs在肝癌中的具體角色并不清楚。此文章中作者通過FACS和scRNA技術(shù)發(fā)現(xiàn)了ILCs在HCC病人中顯著的富集，并且和腫瘤的反復(fù)、整體的生存率都有關(guān)系。通過流式細胞儀鑒定到了一群HCC產(chǎn)生的ILC2s，它們的殺傷細胞凝集素樣亞家族G成員1表達降低，同時腫瘤細胞里E-鈣粘蛋白的減少會進一步減少KLRG1 ，此外KLRG1-ILC2顯示趨化因子的產(chǎn)生增加，包括C-X-C基序趨化因子（C-X-C基序）配體（CXCL）-2和CXCL8，它們反過來招募中性粒細胞形成免疫抑制劑，導(dǎo)致腫瘤惡化。因此，在小鼠肝癌模型中，恢復(fù)ILC2s中的KLRG1、抑制ILC2s中的CXCL2或耗盡中性粒細胞可抑制腫瘤進展，總體表明HCC相關(guān)的ILC2s是一種促進腫瘤發(fā)展的免疫調(diào)節(jié)細胞類型，靶向這些ILC2s可能催生HCC的新療法。

案例6、肝癌中的肝星狀細胞通過產(chǎn)生生長分化因子15促進腫瘤生長^【7】

標題：Hepatic Stellate Cells in Hepatocellular Carcinoma Promote Tumor Growth Via Growth Differentiation Factor 15 Production

期刊名稱：Gastroenterology

影響因子：17.373

發(fā)表日期：2020年12月

樣本設(shè)計：12例HCC患者腫瘤組織和非腫瘤組織

研究內(nèi)容：大部分的HCC由肝纖維化發(fā)展而來，而HSCs則作為成纖維細胞產(chǎn)生大量的基質(zhì)蛋白，在肝纖維化中扮演了重要的角色。本文中作者通過對HSC特異性缺陷的Atg-7和生長分化因子缺陷的（GDF-15）小鼠進行鏈脲霉素處理高脂飲食。同時做了LX-2 HSC細胞系和人腫瘤細胞混合培養(yǎng)。通過單細胞測序發(fā)現(xiàn)，小鼠模型中，GFAP-Atg7KO比野生型小鼠的腫瘤數(shù)量少并且小。LX-2和肝癌細胞的混合培養(yǎng)中，LX-2的細胞自噬被促進，Atg7-KO則能減弱LX-2細胞自噬和肝癌細胞生長，同時Atg7-KO可減弱LX-2細胞自噬和肝癌細胞生長也出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。RNA測序發(fā)現(xiàn)LX-2和HepG2共培養(yǎng)后GDF15表達增加，GDF15KO的LX-2細胞系沒有發(fā)現(xiàn)癌癥細胞的促進增殖，在脂肪肝炎的模型中，GDF15的缺乏會減少腫瘤的大小。綜上所述在HCC微環(huán)境中，以自噬依賴方式產(chǎn)生GDF15的HSC可能與腫瘤發(fā)生有關(guān)。

3、預(yù)后標志物及治療靶點開發(fā)

案例7、肝癌內(nèi)皮細胞重編程促進免疫抑制性巨噬細胞的產(chǎn)生^【8】

標題：Onco-fetal Reprogramming of Endothelial Cells Drives Immunosuppressive Macrophages in Hepatocellular Carcinoma

期刊名稱：cell

影響因子：38.637

發(fā)表日期：2020年10月

樣本設(shè)計：14名HCC患者（5 名 HepB -和 9 名 HepB +）及1例健康捐贈者的肝臟樣本，估計胎齡 (EGA) 為16 周和 21 周的胎兒肝臟樣本

研究內(nèi)容：眾所周知，腫瘤細胞能夠概括早期胎兒發(fā)育的特征，包括獲得干細胞樣特征、EMT（上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化）和癌胎蛋白的表達。研究繪制了人類肝臟從胚胎發(fā)育到肝癌細胞的單細胞圖譜，發(fā)現(xiàn)肝細胞癌腫瘤微環(huán)境具有明顯的胚胎樣重編程特征，并在跨物種比較分析中發(fā)現(xiàn)小鼠胚胎，胚胎肝臟以及腫瘤巨噬細胞之間存在顯著的相似性，表明胚胎肝臟發(fā)育與HCC生態(tài)系統(tǒng)之間存在一個共享程序，即胎-瘤重編程。同時，研究揭示了VEGF/NOTCH信號在維持HCC免疫抑制的胎-瘤生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用。VEGF/NOTCH介導(dǎo)的免疫抑制胎-瘤系統(tǒng)的概念不僅為癌癥治療干預(yù)提供了新的靶點，而且還可以作為潛在的生物標志物用于計劃使用免疫治療的HCC患者，研究也為鑒定和理解其他癌癥中的類似機制開辟了道路。

案例8、單細胞測序揭示早期復(fù)發(fā)肝癌特征性免疫圖譜^【9】

標題：Single-cell Landscape of the Ecosystem in Early-relapse Hepatocellular Carcinoma

期刊名稱：cell

影響因子：38.637

發(fā)表日期：2021年1月

樣本設(shè)計：12例原發(fā)肝癌和6例早期復(fù)發(fā)肝癌患者的腫瘤組織和癌旁組織，進行全長單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，并采用2個獨立的隊列（第1隊列，4例患者的配對原發(fā)腫瘤和復(fù)發(fā)腫瘤；第2隊列，47例患者的配對原發(fā)腫瘤和復(fù)發(fā)腫瘤）對相關(guān)結(jié)果進行驗證（見下圖）。

研究內(nèi)容：本文構(gòu)建了12例原發(fā)性肝細胞癌患者和6例早期復(fù)發(fā)肝細胞癌患者癌和癌旁的單細胞圖譜，發(fā)現(xiàn)與原發(fā)性肝癌微環(huán)境相比，復(fù)發(fā)性肝癌呈現(xiàn)獨特的免疫生態(tài)系統(tǒng)，即DC比例增加，Tregs減少，T細胞增殖減少，CD8+T細胞豐度更高。通過整合TCR克隆和Monocle分析，研究者確定了CD8+T細胞的分化路徑。PT和RT樣本中CD8+T細胞表現(xiàn)出相同的分化軌跡，但表現(xiàn)出明顯不同的免疫和轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，與原發(fā)性肝癌樣本（PT）相比，早期復(fù)發(fā)性肝癌樣本（RT）中的CD8+T細胞耗竭信號的表達減少，表達免疫檢查點基因的細胞比例減少，組織駐留基因增加，而共刺激和耗竭分子減少。同時，研究者發(fā)現(xiàn)免疫檢查點基因CTLA4、HAVCR2和TIGIT在復(fù)發(fā)腫瘤的T細胞中表達降低，這表明針對這些標志物的檢查點阻斷方法可能對原發(fā)性肝癌有效，但對復(fù)發(fā)患者無效。綜上所述，治療原發(fā)性或復(fù)發(fā)性肝癌需要不同的治療方法。

案例9、FABP5作為人肝細胞癌免疫代謝標志物的鑒定^【10】

標題：Identification of FABP5 as an immunometabolic marker in human hepatocellular carcinoma

期刊名稱：J Immunother Cancer

影響因子：9.913

發(fā)表日期：2020年7月

樣本設(shè)計：20名HCC患者癌和癌旁樣本，分選T細胞

研究內(nèi)容：本文從HCC患者中分離CD3+CD45+T細胞并進行單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，分析結(jié)果表明，腫瘤組織中存在多個耗盡的T細胞（Tex）群體，CD137 可識別并豐富 Tex，具有卓越的效應(yīng)功能和增殖能力，這群細胞表達FABP5以及線粒體氧化代謝作用增強。抑制 FABP5 表達和線粒體脂肪酸氧化會損害富含 CD137 的 Tex 的抗細胞凋亡和增殖，這些觀察結(jié)果已通過生成CD137 CART得到驗證。118 例 HCC 患者的組織微陣列免疫組織化學染色顯示腫瘤內(nèi) FABP5高CD8 +T 細胞浸潤與總生存期和無復(fù)發(fā)生存期有關(guān)。118例HCC患者的組織微陣列免疫組織化學染色顯示，腫瘤內(nèi)FABP5高CD8+T細胞與總生存率和無復(fù)發(fā)生存率相關(guān)。結(jié)果表明，腫瘤微環(huán)境可以對 T 細胞功能施加代謝限制。CD137 是一種在某些 Tex 上高度表達的共刺激分子，它利用外源脂肪酸和氧化代謝來介導(dǎo)抗腫瘤免疫。免疫代謝標志物 FABP5 應(yīng)在更大的縱向研究中進行研究，以確定它們作為 HCC預(yù)后生物標志物的潛力。

4、解析腫瘤耐藥機制

案例10、晚期肝癌患者受益于派姆單抗：結(jié)果來自單臂 2 期試驗^【11】

標題：Hepatocellular carcinoma patients with high circulating cytotoxic T cells and intra-tumoral immune signature benefit from pembrolizumab: results from a single-arm phase 2 trial

期刊名稱：Genome Medicine

影響因子：10.675

發(fā)表日期：2021年4月

樣本設(shè)計：10名BLCL-C期患者派姆單抗治療前后的PBMC樣本

研究內(nèi)容：本文對索拉非尼治療失敗后接受派姆單抗治療的HCC患者的pbmc進行單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，研究表明派姆單抗在索拉非尼治療失敗后總體緩解率為10%。在使用臨床病理學特征的單變量分析中，女性、PD-L1 陽性和低中性粒細胞與淋巴細胞比 (NLR) 被確定為派姆單抗反應(yīng)的促成因素。CTNNB1 的體細胞突變和 MET 的基因組擴增僅在無應(yīng)答者中發(fā)現(xiàn)。通過 RNA 測序的轉(zhuǎn)錄譜確定，pembrolizumab 應(yīng)答者表現(xiàn)出 T 細胞受體 (TCR) 信號激活與 MHC 基因的表達，表明 T 細胞細胞毒性水平增加。在對 10 個治療前和治療后外周血單個核細胞 (PBMC) 進行單細胞測序時，獲得部分緩解或疾病穩(wěn)定的患者表現(xiàn)出向細胞毒性 CD8+ T 細胞的免疫轉(zhuǎn)變。綜上，具有細胞毒性 T 細胞浸潤的 HCC 患者，以及活躍循環(huán) CD8+ T 細胞的增加和中性粒細胞相關(guān)標志物的下調(diào)，顯著受益于派姆單抗治療。

百邁客項目經(jīng)驗

肝臟是人體代謝和解讀的器官，在體內(nèi)發(fā)揮氧化、儲存肝糖、合成分泌性蛋白合成等，肝臟也制造消化系統(tǒng)中之膽汁，人肝約有25億個肝細胞。但是解離肝臟組織懸液并不簡單，首先，肝臟代謝旺盛，離體后肝細胞無法進行正常的有氧糖酵解，細胞活力會迅速下降，另外，肝細胞的線粒體很多，每個細胞大約有1000個左右，遍布于胞質(zhì)內(nèi)。因此，很難得到符合單細胞測序要求的單細胞懸液。百邁客生物在肝臟組織單細胞懸液制備方面有豐度的實操經(jīng)驗，開發(fā)了獨有的解離體系，下面來看實驗結(jié)果：

實驗結(jié)果

Tips: 肝實質(zhì)細胞經(jīng)過解離后因為缺氧非常容易發(fā)生凋亡，導(dǎo)致占比很低，如果老師關(guān)注肝實質(zhì)細胞的話，建議采用單細胞核懸液的方法。

 

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