Nat Genet | 华大科技单细胞多组学助力宫颈鳞癌免疫微环境研究
宫颈鳞状细胞癌（CSCC）是一种常见的妇科恶性肿瘤，对女性健康造成了严重威胁。据统计，晚期、转移性或复发性CSCC的5年生存率仅为16.5%。它通常起源于宫颈上皮细胞，并具有高度异质性和复杂性，尽管免疫检查点阻断（ICB）已经被证实在多种恶性肿瘤的治疗中具有显著的疗效，但宫颈鳞状细胞癌对免疫检查点阻断的反应有限，所以现阶段全面了解宫颈鳞癌在单细胞水平上的疾病发生发展机制，以及肿瘤免疫微环境的复杂性，将为临床中发掘有效治疗方案提供更精准信息数据库支持。
2023年11月20日，华大科技助力华中科技大学同济医学院附属同济医院马丁院士团队的陈刚教授、孙朝阳教授等于Nature Genetics在线发表了题为“Multiomic analysis of cervical squamous cell carcinoma identifies cellular ecosystems with biological and clinical relevance”的宫颈鳞状细胞癌研究的最新研究成果（点击文末“阅读原文”查看文献）。
本研究综合应用单细胞转录组、时空转录组和空间蛋白质组等多组学技术，全面揭示了宫颈鳞状细胞癌中不同细胞生态系统的存在。这些细胞生态系统在癌症的发生、进展和预后中起着重要的调控作用，并相互作用和影响。该研究成果为临床个体化治疗和预后评估提供了新思路和潜在的治疗靶点，对临床治疗具有重要的指导意义。
研究方案设计
研究思路
1. 采用14个CSCC原发肿瘤（未经治疗）（其中包括6个具有免疫浸润表型的CSCC肿瘤和8个具有免疫排斥或免疫荒漠特征的CSCC肿瘤）和3个正常宫颈样本进行高通量单细胞转录组技术绘制细胞类型图谱；
2. 选取15个CSCCs原发肿瘤进行时空转录组研究，绘制CSCC肿瘤内表达异质性的高分辨率空间图谱；
3. 采用激光捕获显微切割（LCM）技术分离60个空间上不同的肿瘤区域进行空间蛋白质组学分析，绘制空间蛋白质组学图谱，并与空间转录组学技术进行联合分析。
验证思路
1. 采用一项宫颈鳞癌的新辅助免疫化疗（NACT）临床试验（NCT04516616）中21例患者的bulk RNA-seq测序数据进行验证；
2. 采用2个大型免疫检查点抑制剂的治疗队列（OAK和POPLAR）中评估关键指标与生存率关系。
图1 整体研究设计思路图
研究主要成果
单细胞图谱绘制
1. 总计捕获及鉴定得到163,900个单细胞，聚类分析得到14个细胞类型群和50个亚细胞群，进而绘制CSCC的全细胞图谱；
2. 其中20,168个恶性鳞状细胞根据其肿瘤来源表现出明显的肿瘤间异质性聚类，采用非负矩阵分解（NMF）算法，根据每个肿瘤细胞的特征基因的表达得分，进行肿瘤异质性聚类，划分为8种肿瘤特异性表达模式（MP）；
3. 鉴定三种具有不同肿瘤免疫微环境（TIME）特征的肿瘤特异性表达模式：上皮-细胞角蛋白样模式-MP6、上皮-免疫（Epi-Imm）模式-MP7和上皮衰老（Epi-Sen）模式-MP8，这三种模式可能与不同的鳞状细胞分化阶段相关。
图2 单细胞不同聚类方式图谱
肿瘤免疫微环境研究
1. 这项研究使用了8种模式结合肿瘤免疫表型（TIPs）来探究与肿瘤免疫微环境之间的关系。根据CD8+ T细胞的分布，将肿瘤分为浸润型和排斥/荒漠型两类，其中浸润型肿瘤MP7状态细胞占比更高，而排斥/荒漠型肿瘤中的MP6状态细胞占比更高，证实了MPs和TIPs之间存在密切关系。
图3 不同肿瘤特异性表达模式与免疫细胞类群关系研究
2. 该研究利用时空转录组和高通量单细胞转录组数据整合分析，通过评估MP6、MP7与免疫浸润之间的关系，结果发现MP6和MP7状态的肿瘤在空间分布上互斥；MP7与免疫细胞邻域评分呈正相关，而MP6与免疫细胞邻域评分呈负相关。
图4 空间转录组学揭示MP6、MP7肿瘤特异性表达模式免疫微环境差异
肿瘤特异性表达模式（MP）基因及蛋白功能分析
1. 基因功能分析
通过基因功能分析，该研究发现具有MP6状态的肿瘤细胞表现出在角化过程中富集的基因表达模块（包括FABP5、SERPINB3、KRT6B、S100A8）。而MP7具有多种免疫相关基因的高表达（包括HLA-DRB、B2M和IDO1），表明其免疫相关上皮状态。MP7肿瘤细胞也表现出抗原呈递、免疫应答、免疫抑制分子和多种黏液蛋白的高表达，且这些基因在抗原加工、呈递和炎症反应途径中富集。
2. 蛋白功能分析
与转录组学数据一致，MP6特异性蛋白表达分析发现，如FABP5、SERPINB3、KRT6B和S100A8，在免疫低下的ROI中表达更高。PROGENy代谢通路活性评分显示，转化生长因子β（TGFβ）通路在MP6细胞中升高，且在空间上主要位于MP6肿瘤区域的外围。TGFβ信号通路介导免疫抑制和逃避免疫监视，而FABP5已被报道在肿瘤和成纤维细胞中增强TGFβ信号通路，这表明MP6状态的肿瘤可能通过FABP5和TGFβ信号通路与免疫微环境相互作用，从而影响肿瘤发生发展机制。
图5 肿瘤状态的多模态分析
临床应用辅助研究
以肿瘤特异性表达模式（MP6/7评分）评估临床免疫治疗效果，选取一项宫颈鳞癌的新辅助免疫化疗（NACT）临床试验（NCT04516616）中21例患者的RNA-seq数据进行了分析，发现新辅助化疗治疗后MP6/7评分明显下降与免疫治疗后的完全病理缓解密切相关。同时应用于2个大型免疫检查点抑制剂的治疗队列（OAK和POPLAR）中，MP6/7评分与免疫治疗组生存率相关，数值越低，生存率越高，MP6/7评分可作为重要的临床预测指标。
图6 MP6/7评分可指征临床治疗效果
科技君点睛
1. 该研究采用多组学技术：高通量单细胞转录组、时空组学、空间蛋白质组学、bulk转录组学等技术的联合应用；
2.该研究采用多种细胞类群分类模式：常规细胞类群聚类、肿瘤特征基因聚类，以及结合免疫类型细胞进行聚类方式深入挖掘研究；
3.该研究采用队列样本进行潜在临床关键标志物验证，延伸临床未来应用。
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【参考文献】
Fan J, Lu F, Qin T, et al. Multiomic analysis of cervical squamous cell carcinoma identifies cellular ecosystems with biological and clinical relevance[J]. Nature Genetics, 2023: 1-14.
供稿：鹏程
编辑：市场部
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