文献解读|空间多组学揭示原发性肝癌空间异质性图谱

导读

世界范围内，50%的新发肝癌患者都来源于中国。包括肝炎病毒在内，酒精性脂肪肝，非酒精性脂肪肝，还有致癌物暴露等越来越多的病因都被认为是潜在致癌的风险因素。另外还有一些慢性病，包括糖尿病、药物性肝病等不同原因引起的肝硬化，都是肝癌发病率增加的因素。肝癌异质性较高的主要原因包括：基因组的不稳定性，肝脏的排毒功能导致肝脏的微环境不断变化，肝脏中实质细胞以及非实质细胞细胞内和细胞间的信号转导形成的网络。

正文

2022年1月26日，我国海军军医大学的研究团队在《Science Advances》（Science杂志子刊，影响因子14.136）发表了题为“Comprehensive analysis of spatial architecture in primary liver cancer”的文章。该研究利用10X Visium空间转录组技术，系统分析了肿瘤微环境中不同细胞亚群的空间分布特征，绘制了原发性肝癌的高分辨率空间分子图谱。

用于进行空间转录组检测的病例包括肝细胞癌5例、混合型肝癌和肝内胆管细胞癌各1例。每个病例取配对的三个组织：癌巢内、临界面、癌旁正常肝和肝内胆管。临界面定义为癌与癌旁肉眼可见的交界面左右各0.5厘米的区域。共计检测21个样本，获得84823个有效空间点数据，对获得的测序数据进行聚类分析和细胞类型注释。

图1. 利用空间转录组技术探索原发性肝癌。图片来源：Science Advances。

综合“转录多样性”和“空间连续性”这两个变量，描述肿瘤的异质性。在切片中划定的区域内，具有相似的转录多样性，即分为3个细胞亚群，但是这些亚群在空间区域分布模式有所不同，从图2中可以看出，有的是同一种细胞类型倾向于聚集在一起，呈现区块型分布（如HCC-1T、HCC-3T和HCC-4T），有的是两个细胞类型在空间上倾向于分散，呈现交错型分布（如HCC-2P、HCC-2T和cHC-1T）。

图2. 肿瘤亚群的区块型和交错型空间分布模式。图片来源：Science Advances。

从图3中可以看出，细胞的恶性程度越高，转录多样性越强，相应的空间连续性逐渐下降。同时，观察到转录多样性水平比较高且空间连续性水平比较低的患者，在临床的预后较差。这对于临床的治疗提出了很大的挑战，因为晚期的肿瘤患者活检样本信号的采集会由于穿刺的位置导致偏差。

肿瘤边界区纤维包膜与该区域免疫微环境的异质性相关。当边界区域存在肿瘤包膜时，包膜外侧的正常肝组织中免疫细胞分布较内侧肿瘤组织中更多，而当无肿瘤包膜时，肿瘤边界区域免疫细胞浸润程度整体增强、耗竭型T细胞增多，并且肿瘤边界线两侧的免疫细胞分布更加紊乱。

图3. 肿瘤边界区免疫细胞空间分布特征与肿瘤包膜的存在相关。图片来源：Science Advances。

肿瘤内部不同亚群具有不同优势基因表达、细胞功能、预后和克隆来源，且肿瘤内部亚群并不独立，在彼此接触的范围（100微米宽交界区）会发生广泛的配体-受体相互作用。

图4. 原发性肝癌瘤内异质性。图片来源：Science Advances。

为了观察到一个完整实体肿瘤中的分布规律，对一例早期肝癌进行了全景式空间异质性分析，用四张芯片绘制出肿瘤完整切面的空间转录组全局图谱。选取了一个仅1厘米的小肿瘤，将同一层面分成四片切片，以获得同一层面的尽可能完整的空间信息。图5所示，A区是肿瘤向外膨出生长的区域，B区、C区和D区是向肝脏内生长的部分。分析发现，区域性分布和交错性分布的空间模式在早期肝癌中已经共存，且早期肝癌的空间分布呈现非对称的多样性模式。在四个不同界面上，不同信号通路的变化非常混杂，不同的信号通路之间很难找到共同的特征分布规律。如，氧化磷酸化的信号通路，在朝向腹腔生长的肝包膜A区域，氧化磷酸化的信号水平较强，相应的向肝内生长的氧化磷酸化的信号通路活性相对较弱。其它的信号通路也有其相应的模式。进一步说明肝肿瘤内部空间异质性高度复杂，其微环境的空间异质性与免疫或靶向治疗有效性的关系值得进一步深入研究。

图5. 肿瘤边界影响氧化磷酸化等信号通路。图片来源：Science Advances。

计算筛选得到一套用于鉴定三级淋巴结构的基因集TLS-50，并在TCGA数据库中验证了其与原发性肝癌较好预后的相关性。部分三级淋巴结构的内部特征基因表达从中心到外周也呈梯度变化。三级淋巴结构分为肿瘤浸润型和非肿瘤浸润型，非肿瘤浸润型较多位于交界面，具有更多的淋巴管和更多的B细胞，且相对预后较好。

图6. 三级淋巴结的空间分布和预测效应。图片来源：Science Advances。

结语

肿瘤异质性是肝癌预防、诊断和治疗的主要挑战。本文利用空间转录组技术，构建了首个基于原发性肝癌三个主要亚型的高分辨率空间转录组图谱，从正常组织到肿瘤边缘到肿瘤区域，为研究不同细胞亚群的整体和局部变化趋势提供了机会。该研究解析了原发性肝癌肿瘤异质性、肿瘤免疫微环境及肿瘤转移机制。

参考文献:

Rui U, Wenbo G, Xinyao Q, et al. Comprehensive analysis of spatial architecture in primary liver cancer. Science advances, 2021. DOI: 10.1126/sciadv.abg3750.

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本文为伯豪生物原创

撰稿人：孙慧

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