項(xiàng)目文章 | 時(shí)空多組學(xué)技術(shù)助力科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名期刊發(fā)表最新成果

2025年1月，空軍軍醫(yī)大學(xué)（第四軍醫(yī)大學(xué)）陳志南教授、秦衛(wèi)軍教授、耿杰杰博士等人在學(xué)術(shù)期刊Journal for ImmunoTherapy of Cancer發(fā)表文章，題為：Spatial and single-cell transcriptomics reveal cellular heterogeneity and a novel cancer-promoting Treg cell subset in human clear-cell renal cell carcinoma。在該文章中，研究者利用百創(chuàng)S1000空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)、百創(chuàng)DG1000單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)等，探索透明腎細(xì)胞癌異質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)IL-18通過(guò)ERK/NF-κB通路促進(jìn)一種具有強(qiáng)免疫抑制功能的終末效應(yīng)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞產(chǎn)生，其與MRC1+FOLR2+?TAM（腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞）相互作用，導(dǎo)致患者生存率降低、腫瘤細(xì)胞免疫逃逸增加和腫瘤生長(zhǎng)。該研究為認(rèn)識(shí)透明腎細(xì)胞癌（ccRCC）Treg細(xì)胞異質(zhì)性以及潛在治療靶點(diǎn)提供新見(jiàn)解。

文章標(biāo)題：Spatial and single-cell transcriptomics reveal cellular heterogeneity and a novel cancer-promoting Treg cell subset in human clear-cell renal cell carcinoma

期刊名稱：Journal for ImmunoTherapy of Cancer

影響因子：10.3

合作單位：空軍軍醫(yī)大學(xué)（第四軍醫(yī)大學(xué)）

研究方法：單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，流式分選，RT-qPCR，Western blot，免疫組化，多重免疫組化，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。

百邁客生物為該研究提供了百創(chuàng)DG1000單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序服務(wù)以及百創(chuàng)S1000空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)服務(wù)，文中百創(chuàng)S1000空間數(shù)據(jù)分析得到的細(xì)胞空間分布圖由百創(chuàng)開(kāi)發(fā)軟件BSTCellViewer展示。

研究背景

透明腎細(xì)胞癌ccRCC是腎細(xì)胞癌RCC的常見(jiàn)亞型，是腎癌相關(guān)死亡的主要原因，治療手段包括腎切除手術(shù)、靶向治療和免疫治療，但多數(shù)患者不能從免疫治療獲益，這與腫瘤微環(huán)境異質(zhì)性有關(guān)，因此有必要深入理解ccRCC的腫瘤微環(huán)境，助力開(kāi)發(fā)新型個(gè)性化診療方案。

材料及方法

研究材料：15名腎切除術(shù)的ccRCC患者組織樣本及其血液PBMC。對(duì)組織樣本區(qū)域進(jìn)行定義，分為腫瘤核心（TC），腫瘤-健康交界（IF，包括腫瘤邊緣TR和臨近健康腎組織AN），遠(yuǎn)端健康腎組織DN。

組別設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)組4名ccRCC患者樣本進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序&空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，驗(yàn)證組15名ccRCC患者樣本進(jìn)行流式細(xì)胞術(shù)&多重免疫熒光染色，151名ccRCC患者組織樣本&40名其他腎癌亞型患者組織樣本&6名捐獻(xiàn)者健康腎組織進(jìn)行多重?zé)晒饷庖呓M化染色。

研究方法：單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（4名患者不同區(qū)域腫瘤組織，按照CD45+細(xì)胞:CD45-細(xì)胞=9:1增加免疫細(xì)胞數(shù)據(jù)占比，n=12），空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（n=4）；流式分選，RT-qPCR，Western blot，免疫組化，多重免疫組化，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。

研究結(jié)果

1.ccRCC組織細(xì)胞類型全面分析

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（scRNA-seq）數(shù)據(jù)顯示不同患者腫瘤組織的免疫微環(huán)境細(xì)胞組成相似，T細(xì)胞占比最高，特別是CD4+ T細(xì)胞。腫瘤區(qū)域（TC/TR）富集CD3+細(xì)胞以及CD8+ T細(xì)胞，而CD4+ T細(xì)胞基本分布在所有區(qū)域。此外，基質(zhì)細(xì)胞和免疫細(xì)胞豐度和分布存在差異，TR區(qū)域成纖維細(xì)胞比例顯著低于TC區(qū)域和AN區(qū)域，這一發(fā)現(xiàn)也在空間轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)中得到印證。

2.ccRCC細(xì)胞元程序的豐度以及異質(zhì)性

通過(guò)非負(fù)矩陣因子分解分析每個(gè)樣本scRNA-seq數(shù)據(jù)，得到可以代表ccRCC腫瘤細(xì)胞簇元程序的6個(gè)基因集，不同基因集代表著不同的程序，如基因集1代表著EMT（上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)變）相關(guān)基因表達(dá)譜，基因集5也與EMT相關(guān)但與基因集1不同的是其包含VEGFA等。

進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)ccRCC亞群0~4簇與不同基因集表達(dá)譜匹配，5和6簇不與任何基因集匹配但具有細(xì)胞周期和應(yīng)激響應(yīng)相關(guān)基因表達(dá)。RCC0簇和RCC2簇代表EMThigh腫瘤細(xì)胞并在IF區(qū)域富集，RCC1簇代表PT（近曲小管）細(xì)胞，擬時(shí)序分析結(jié)果顯示存在RCC0—>RCC2分化關(guān)系，但RCC2幾乎只在P2患者樣本中發(fā)現(xiàn)，表明RCC2可能與個(gè)別患者特征相關(guān)。RCC1、RCC3和RCC4細(xì)胞主要在組織而不是腫瘤區(qū)域富集，RCC4主要分布在AN和DN區(qū)域，RCC4在AN區(qū)域分布數(shù)量高于DN區(qū)域。RCC4高表達(dá)細(xì)胞因子受體基因，表明TME中分泌的促腫瘤細(xì)胞因子可能傾向于作用到RCC4，增加其轉(zhuǎn)變成癌細(xì)胞的概率，加速腫瘤逃逸，促進(jìn)腫瘤惡性化，與以往瘤旁附近不是完全的健康組織認(rèn)識(shí)相符合。

3.ccRCC基質(zhì)細(xì)胞的區(qū)域化特征和異質(zhì)性

scRNA-seq與空間數(shù)據(jù)均顯示，ccRCC存在8種激活的成纖維細(xì)胞簇，腫瘤區(qū)域成纖維細(xì)胞數(shù)量高于健康組織，其中CD24+IL32+成纖維細(xì)胞顯著富集在腫瘤區(qū)域，PTGDS+成纖維細(xì)胞幾乎全分布在AN，高表達(dá)ECM（胞外基質(zhì)）形成和EMT的成纖維細(xì)胞簇在IF較為富集，IL1R1+?CAF（腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞）表現(xiàn)出腫瘤促進(jìn)表型；7種EC（內(nèi)皮細(xì)胞）簇中4種（0,2,3和6）主要富集在腫瘤組織，3種（1,4和5）在健康組織富集，膠原蛋白EC（0簇）豐度最高，具有促腫瘤特征?？傊?，不同的ECM蛋白質(zhì)產(chǎn)生基質(zhì)細(xì)胞傾向于富集在IF并共定位，可能行駛多種功能，包括細(xì)胞-細(xì)胞交互和胞外組分重構(gòu)。

4.ccRCC中MRC1+FOLR2+?TAM傾向于表現(xiàn)出更強(qiáng)的促癌表型

scRNA-seq數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)均顯示，4種TAM簇具有不同分布趨勢(shì)，TAM1主要分布在TC區(qū)域；TAM2高表達(dá)FOLR2、MRC1和CD163，可能是M2樣巨噬細(xì)胞且具有增強(qiáng)的免疫抑制特征，TAM4是組織駐留巨噬細(xì)胞，兩者主要分布在TR區(qū)域；TAM3表達(dá)炎癥響應(yīng)相關(guān)基因，在TR和AN區(qū)域富集。RNA速率分析顯示存在TAM4—>TAM2—>TAM1和TAM4—>TAM3兩種軌跡，以及從IF區(qū)域遷移到TC區(qū)域的趨勢(shì)。進(jìn)一步的功能分析顯示，IF區(qū)域的TAM2可能通過(guò)促進(jìn)EMT，TC區(qū)域的TAM2可能通過(guò)促進(jìn)腫瘤血管生成，起到促癌效應(yīng)?？傊?strong>TAM2不同的腫瘤促進(jìn)效應(yīng)可能與免疫抑制TME有關(guān)。

5.單細(xì)胞分析揭示ccRCC中存在表達(dá)IL1B的Treg

進(jìn)一步分析CD4+ T細(xì)胞簇，發(fā)現(xiàn)存在CD4+ 初始T細(xì)胞、Treg和濾泡樣輔助T細(xì)胞，不同簇的特征基因和空間分布模式不同，IF區(qū)域富集CD4+ 初始T細(xì)胞和PDE3B+ CD4+ T細(xì)胞，腫瘤區(qū)域富集Treg。其中，TC/TR區(qū)域CTLA-4+?Treg的占比以及Treg的FoxP3蛋白表達(dá)水平高于AN/DN區(qū)域，而CTLA-4+FoxP3-?Treg在所有組織中的分布較為均勻，表明腫瘤區(qū)域Treg細(xì)胞具有更強(qiáng)的免疫抑制功能。

進(jìn)一步分析Treg細(xì)胞簇，發(fā)現(xiàn)存在6種亞型，其中終末效應(yīng)Treg細(xì)胞（5）主要分布在IF區(qū)域，F(xiàn)OXP3表達(dá)水平較低且ICOS表達(dá)水平降低，表明細(xì)胞可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

此外，終末效應(yīng)Treg細(xì)胞表達(dá)炎癥性細(xì)胞因子如IL1B，IL18和IL7，驗(yàn)證隊(duì)列的多重免疫熒光染色結(jié)果顯示IL-1β+終末效應(yīng)Treg是對(duì)ccRCC特異性腫瘤微環(huán)境信號(hào)的特異性響應(yīng)。發(fā)現(xiàn)腫瘤組織中存在表達(dá)炎癥性細(xì)胞因子IL1B的終末效應(yīng)Treg細(xì)胞。

6.IL-18通過(guò)ERK/NF-κB通路促進(jìn)強(qiáng)免疫抑制功能的終末效應(yīng)Treg細(xì)胞產(chǎn)生

空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)結(jié)果顯示不同Treg細(xì)胞100μm范圍內(nèi)激活的CD4+/CD8+ T細(xì)胞數(shù)量較少，終末效應(yīng)Treg細(xì)胞100μm范圍內(nèi)CD4+/CD8+ T細(xì)胞數(shù)量更少，表明終末效應(yīng)Treg細(xì)胞周圍應(yīng)答Treg細(xì)胞（Tresp）增殖受到更強(qiáng)的抑制。細(xì)胞共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明終末效應(yīng)Treg細(xì)胞具有強(qiáng)免疫抑制功能。RNA速率分析結(jié)果表明效應(yīng)終末Treg可能由初始Treg細(xì)胞分化而來(lái)，體外實(shí)驗(yàn)表明IL-18可刺激CD4+CD25+ Treg細(xì)胞上調(diào)IL-1β表達(dá)，表明終末效應(yīng)Treg細(xì)胞產(chǎn)生和作用可能與IL-18有關(guān)。ERK激活劑/NF-κB激活劑促進(jìn)IL-18+ Treg細(xì)胞的產(chǎn)生，IL-18處理后Treg細(xì)胞ERK/NF-κB磷酸化水平增加，ERK抑制劑可抑制Treg細(xì)胞表達(dá)NF-κB但NF-κB抑制劑無(wú)法抑制ERK表達(dá)，綜上，這些結(jié)果表明IL-18可能通過(guò)ERK/NF-κB通路介導(dǎo)終末效應(yīng)Treg細(xì)胞的產(chǎn)生。

7.通過(guò)與MRC1+FLOR2+?TAM互作，終末效應(yīng)Treg細(xì)胞與存活率降低、免疫逃逸增加及腫瘤生長(zhǎng)相關(guān)

確定終末效應(yīng)Treg細(xì)胞標(biāo)志基因（FOXP3、IL1B和FCER1G），TGCA泛癌數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，終末效應(yīng)T細(xì)胞浸潤(rùn)高的隊(duì)列與更低的整體存活率相關(guān)。細(xì)胞通訊分析結(jié)果顯示，巨噬細(xì)胞與終末效應(yīng)Treg細(xì)胞有著最多的互作配體-受體對(duì)，許多是免疫抑制互作，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)支持終末效應(yīng)Treg細(xì)胞與TAM2簇之間存在相互作用；IL1R1+?CAF與終末效應(yīng)Treg細(xì)胞也存在潛在聯(lián)系。僅在TC區(qū)域（與TR區(qū)域相比）發(fā)現(xiàn)NAMPT-INSR和TGFB1-(TGFBR1+TGFBR2)配受體互作，體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)終末效應(yīng)Treg細(xì)胞LRRC32（該基因編碼的GARP是TGF-β1成熟和激活所必須的）表達(dá)水平高于傳統(tǒng)Treg細(xì)胞。

此外，巨噬細(xì)胞特別是TAM2高表達(dá)IL18。這些結(jié)果可能表明ccRCC腫瘤微環(huán)境中，IF區(qū)域終末效應(yīng)Treg細(xì)胞與臨近TAM2互作，通過(guò)分泌的TGF-β1、M-CSF1以及IL-10，將IF駐留的TAM轉(zhuǎn)變成促癌表型，引起腫瘤細(xì)胞EMT；TAM2分泌的趨化因子誘導(dǎo)Treg細(xì)胞遷移到腫瘤區(qū)域并過(guò)表達(dá)IL-18，將Treg細(xì)胞轉(zhuǎn)變成IL-1β+ 終末效應(yīng)T細(xì)胞，抑制T細(xì)胞免疫并促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)。

總之，這些結(jié)果表明ccRCC的IF區(qū)域，終末效應(yīng)Treg細(xì)胞可能與其他促癌細(xì)胞互作，最終促進(jìn)腫瘤細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化，支持了終末效應(yīng)Treg細(xì)胞具有免疫抑制和促癌作用的假設(shè)。

研究結(jié)果

該研究系統(tǒng)描述了ccRCC中不同類型細(xì)胞的基因表達(dá)譜和空間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)一種具有癌癥促進(jìn)作用的新Treg細(xì)胞亞型，在腫瘤-健康組織交界區(qū)域與MRC1+FOLR2+?TAM互作，構(gòu)建免疫抑制TME，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化最終引起患者存活率降低。同時(shí)，這些發(fā)現(xiàn)也為開(kāi)發(fā)新的藥物和預(yù)后標(biāo)志物提供了靶點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

Song X, et al. Spatial and single-cell transcriptomics reveal cellular heterogeneity and a novel cancer-promoting Treg cell subset in human clear-cell renal cell carcinoma. J Immunother Cancer. 2025 13(1):e010183.