剖析胃肠癌分子机制：护“胃”健康，让爱“肠”在 | 时空简讯27期

时空简讯第27期。

胃肠道癌是最常见和最主要的恶性肿瘤，包括胃癌、结肠和直肠癌等，且发病年龄趋于年轻化。其中，胃癌是起源于胃黏膜上皮的恶性肿瘤，结直肠癌是发生在结肠或直肠的恶性肿瘤。

随着科研水平和医疗技术的提升，以及人们有关胃肠癌早筛、早诊、早治观念的提升，使得胃肠癌不再那么可怕，也使得胃肠癌患者的预后更佳。不过，若想彻底治愈胃肠癌，使其预后不再复发，仍需要深入剖析其发生、发展的分子机制，研发治疗新方法。在此，我们遴选了8篇有关胃癌、结直肠癌肿瘤组织结构、致病机制及相关研究技术的文章，以供参考。

胃癌

Gastric Cancer

迄今最大、最详细的胃癌单细胞图谱

Cancer Discovery [IF: 38.272]

① 应用scRNA-seq分析31例胃癌（gastric cancer，GC）患者的覆盖所有临床阶段、组织病理亚型的48份样本，获得了200,954个细胞 ，鉴定了34种不同细胞谱系/状态（包括新的稀有细胞群），绘制了一个全面的GC单细胞图谱，提供了一个跨不同GC亚型的患者内和患者间细胞谱系状态的高分辨率分子资源。

② 多个谱系状态展示了与GC相关的细胞状态特异性表达谱特征，每种特征都是不同癌症所必需的，并最终会混合以产生复合肿瘤分子图谱。

③ 不同的浆细胞和癌相关成纤维细胞（cancer-associated fibroblasts，CAF）谱系与GC的组织学亚型和临床分期相关，出现上皮驻留KLF2基因的弥漫型GC肿瘤中浆细胞比例增加，以及高INHBA和FAP共表达的CAF亚群随临床分期累计增加，提示不同的癌症相关成纤维细胞亚型与INHBA-FAP高细胞群为不良临床预后的预测因子。

④ 单细胞比较分析了患者来源的类器官（patient-derived organoids，PDO）和原发GC肿瘤之间的相似性和差异性，提出了一种可能性，即除了上皮细胞外，PDO培养也可能影响与肿瘤相关的其他细胞类型的转录谱。

⑤ 通过数字空间转录组分析、独立bulk RNA-seq，以及体外、体内模型的功能实验验证补充了以上发现。（于新颖）

研究设计及技术路线示意图

Single-cell atlas of lineage states, tumor microenvironment and subtype-specific expression programs in gastric cancer.

2022.03.01, DOI: 10.1158/2159-8290.CD-21-0683

研究文章；癌症；人，胃，胃癌，弥散性，癌相关成纤维细胞，scRNA-seq，空间转录组；Vikrant Kumar, Kalpana Ramnarayanan, Raghav Sundar, Nisha Padmanbahan, Patrick Tan; Duke-NUS Medical School, National University of Singapore; Singapore.

位置很重要：单细胞水平上剖析弥漫型胃癌

Clinical Cancer Research [IF: 12.531]

① Hye Young Jeong, et al.应用scRNA-seq解析来自人的弥漫型胃癌（gastric cancer，GC）浅层（距离肿瘤表面5 mm）和深层（包括肿瘤浸润前沿）组织的细胞异质性，提供了GC不同组织层的细胞图谱，并确定了7种主要细胞类型，不同类型的细胞在肿瘤浅层或深层富集。

② 深层肿瘤侵袭前沿的炎症和免疫抑制肿瘤微环境是导致弥漫型GC细胞侵袭表型的重要因素，局部微环境是产生免疫抑制因子的关键刺激因素。

③ CCL2（又称单核细胞趋化蛋白1，是巨噬细胞趋化的关键因子）由基质细胞（成纤维细胞、内皮细胞和髓系细胞）产生，在肿瘤深层的基质细胞中高度表达，且与GC患者低生存率显著相关。

④ 浅层和深层癌细胞或基质细胞群的通路比较分析，揭示了促进侵袭性癌细胞和炎症基质细胞形成的信号通路，可能成为弥漫性GC治疗干预的新途径。（董天宇）

弥漫性GC浅层到深层细胞的转化

Location matters: Profiling diffuse type gastric cancer at the single-cell level.

2021.09.23, DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-21-2935

Spatially distinct reprogramming of the tumor microenvironment based on tumor invasion in diffuse-type gastric cancers. Hye Young Jeong, In-Hye Ham, Sung Hak Lee, et al. Clinical Cancer Research, 2021, 27(23):6529-6542. DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-21-0792（关联文章）

述评；癌症；人，胃，弥漫型胃癌，肿瘤侵袭，异质性，肿瘤微环境，scRNA-seq; Huocong Huang, Rolf A. Brekken; University of Texas Southwestern Medical Center; USA.

结直肠癌

Colorectal Cancer

β-羟基丁酸能够抑制结直肠癌

Nature [IF: 69.504]

① 选用结直肠癌（colorectal cancer，CRC）小鼠模型，采用单细胞转录组技术，确定了一个β-羟基丁酸（β-hydroxybutyrate，BHB）触发的调节肠道肿瘤发生的信号，并指出使用单一代谢物的口服或全身干预可能补充目前对CRC的预防和治疗策略。

② 给予6组小鼠不同脂肪与碳水化合物比例的食物（分别为0.3%、13%、50%、70%、90%），然后使用一种通常会诱发CRC的标准化技术，通过注射偶氮甲烷（azoxymethane，AOM）和葡聚糖硫酸钠（dextran sodium sulfate，DSS）构建CRC小鼠模型（AOM/DSS诱导CRC小鼠模型），发现脂肪与碳水化合物比例为90%的最能有效地抑制CRC肿瘤生长的生酮饮食（ketogenic diets，KDs）[一种猪油（猪脂肪），另一种使用Crisco（主要是豆油）]，在预防和治疗结肠癌小鼠模型中，都能有效地抑制结直肠肿瘤的生长。

③ 在摄入KD或饥饿情况下在小鼠肝脏中产生的一种小型有机分子——BHB，具有很强的肿瘤抑制作用，它可以减少结肠隐窝细胞的增殖，并有效地抑制CRC肿瘤的生长。

④ BHB通过表面受体Hcar2发挥作用，诱导转录调控因子Hopx，从而改变基因表达，抑制肠道细胞增殖，这一发现对CRC患者活检进行的癌症类器官检测和scRNA-seq提供了证据，表明BHB水平和活性HOPX水平升高与人类肠上皮细胞增殖减少有关。（韩洞明）

BHB通过Hcar2诱导Hopx表达，抑制肠上皮细胞生长

β-Hydroxybutyrate suppresses colorectal cancer.

2022.04.27, DOI: 10.1038/s41586-022-04649-6

研究文章；癌症；小鼠，人，结肠，直肠，结直肠癌，β-羟基丁酸酯，生酮饮食，scRNA-seq; Oxana Dmitrieva-Posocco1, Christoph A. Thaiss, Maayan Levy; University of Pennsylvania; USA.

scRNA-Seq评估结直肠癌类器官的培养条件和生物学分子特征

Genome Biology [IF: 17.906]

① 构建了7名结直肠癌（colorectal cancer，CRC）患者来源的类器官，并对这些类器官及其对应的肿瘤和癌旁正常组织进行scRNA-seq，获得6,225个细胞的单细胞转录组数据，并结合全基因组测序、甲基化测序、全外显子组测序以及靶位点Sanger测序等，全面评估了CRC患者类器官的培养条件和生物学特征。

② 肿瘤来源的类器官可以准确地反映肿瘤细胞在体内的基因表达模式、基因调控网络、点突变、拷贝数变异（copy number variations，CNVs）和DNA甲基化模式等特征。

③ 癌旁正常组织来源的类器官，在转录组水平上表现出一些肿瘤样特征，而其基因组和表观基因组特征仍然保持正常，如CNV、点突变和DNA甲基化模式等。

④ 条件培养基在长期培养中优于化学成分明确的培养基，包括在维持癌细胞和正常上皮细胞的基因组、表观基因组和转录组特征方面。

⑤ 在条件/化学成分明确的培养基中培养类器官一段时间，然后互换培养基后，发现类器官细胞基本上保持了原培养基的转录组特征，说明最初用于产生类器官的培养基，在类器官的基因表达模式中起着非常关键的作用。（陆叶）

类器官培养和scRNA-seq数据生成的试验流程图

Systematic evaluation of colorectal cancer organoid system by single-cell RNA-seq analysis.

2022.04.28, DOI: 10.1186/s13059-022-02673-3

研究文章；癌症；人，结肠，直肠，结直肠癌，类器官，类器官培养基，scRNA-seq; Rui Wang, Yunuo Mao, Wendong Wang, Xin Zhou, Wei Wang, Wei Fu, Fuchou Tang；北京大学生物医学前沿创新中心，北京大学第三医院；中国

单细胞多组学揭示与人类结直肠癌预后相关的T细胞类型

JCI Insight [IF: 9.484]

① 从16例未治疗的结直肠癌（colorectal cancer，CRC）患者的肿瘤和癌旁组织中，流式分选37,931个TCRαβ⁺CD3⁺细胞，scRNA-seq、CITE-seq（23个细胞表面蛋白标记）和T细胞抗原受体（TCR）序列分析在表型和功能上区分了效应T细胞类型，高分辨率解析了CRC中CD8⁺和CD4⁺ T细胞的亚型，揭示CRC中T细胞的高度多样性和异质性。

② 经过严格质控，描绘出一个包含35,145个T细胞、9种T细胞亚群的高分辨率转录组图谱，定义出2种受刺激的T细胞（T_Stim1和T_Stim2）和7种未被刺激的T细胞，包括原始/中央记忆型T细胞（Tn/Tcm）、组织驻留记忆性T细胞（Trm）、活化T细胞（Tact）、耗竭T细胞（Tex）、调节性T细胞（Treg）和两种细胞毒性 T细胞（Tcyto1和Tcyto2），TCRSeq分析进一步为32,550个T细胞注释TCR序列，其中27,999个细胞具有TCRαβ序列。

③ 结合T细胞转录组图谱与TCGA（The Cancer Genome Atlas）公共数据库，鉴定出具有效应功能的非刺激T细胞差异表达基因集，发现富集GZMK⁺KLRG1⁺ T_Tcyto1和T_Treg细胞亚群基因集的CRC患者预后明显好于缺失的患者。

④ 针对CRC中CD8⁺和CD4⁺ T细胞的浸润，发现两种抑制CRC抗肿瘤免疫、具有潜在治疗意义的T细胞亚群，包括能产生IFNG、IL-2和TNF细胞因子的CD8⁺CD103⁺ T细胞（CD8⁺ T），以及高表达CD38和LAG3并能产生高水平IL-10的pTreg（CD4⁺ T，Helios-Tregs），为CRC免疫治疗提供了潜在靶点。（徐晓静）

研究设计流程及主要发现

Multiplexed single-cell analysis reveals prognostic and nonprognostic T cell types in human colorectal cancer.

2022.04.08, DOI: 10.1172/jci.insight.154646

研究文章；癌症；人，结肠，直肠，结直肠癌，预后，T细胞，scRNA-seq, TCR-seq; Kazuya Masuda, Arnold Han; Columbia Center for Translational Immunology, Columbia University, USA.

数据模型

Date Model

基于多癌种T细胞构建了与免疫治疗应答相关的Tres模型

Nature Medicine[IF: 87.241]

① 利用36个数据集中覆盖19种肿瘤的168份肿瘤样本的单细胞转录组数据，构建了计算模型Tres（tumor-resilient T cell），用于从利用单细胞转录组数据识别与免疫抑制相关的T细胞信号特征。

② Tres模型构建主要分为两步：首先利用数据集中CD8⁺ T 细胞的信号来寻找与免疫抑制相关的特征，如在黑色素瘤中发现CD8⁺ T细胞中的转化生长因子（TGF-β1）与T细胞的增殖呈现负相关，然后通过检验寻找与之前发现免疫抑制特征相关的T细胞特异基因。

③ 用已有免疫治疗结果的单细胞数据集对Tres模型进行验证，发现相比已发表的其他T细胞抗肿瘤特征指标，其效果最佳，可用于免疫治疗开始前对患者进行检查和评估，该模型优秀的效果在其他的免疫治疗的数据集中也得到了验证。

④ 在多个癌种中发现FIBP基因是Tres模型中阴性标记基因，即敲除该基因会增强体外共培养的T 细胞介导的肿瘤杀伤能力，进一步研究发现该基因的存在会降低T细胞的胆固醇代谢，从而抑制效应T细胞功能，确认了Tres在鉴定T细胞有效生物标志物和实体瘤免疫疗法的潜在治疗靶点方面的效用。(孙楚雯)

识别肿瘤弹性T细胞（Tres）的两个步骤

A T cell resilience model associated with response to immunotherapy in multiple tumor types.

2022.05.02, DOI: 10.1038/s41591-022-01799-y

研究文章；癌症；泛癌，肿瘤免疫治疗，T 细胞，Tres模型，scRNA-seq; Yu Zhang, Vu Trang, Peng Jiang; National Cancer Institute, National Institutes of Health, The University of Hong Kong, Sun Yat-sen University Cancer Center; USA, 中国

一种用于研究病源肿瘤异体移植模型的空间异质性的多模态数据资源

Scientific Data [IF: 5.929]

① 选用3个结直肠癌肿瘤，构造了4种转移性结直肠癌（metastatic colorectal cancer，mCRC）模型，对每个肿瘤的3个分层（腹侧、中央和背侧皮下方向），共计36组人源肿瘤异体移植（patient-derived xenografts，PDXs）样本进行了基因组、转录组、蛋白组、H&E和免疫荧光分析，为研究mCRC的PDX模型构建了一个多模态、大规模的基准数据集（https://nciphub.org/resources/2205），并为未来定量研究PDX肿瘤模型内部及跨空间异质性提供了模板。

② 亲本肿瘤与异体移植肿瘤存在一致的组织病理学特征，并且肿瘤组织学和组织组成的特性（肿瘤、间质和坏死组织的百分比）在很大程度上是由PDX模型驱动的，这表明在PDX模型中，组织病理学在肿瘤水平上基本具有可重复性；PDX模型中，在通路水平上虽有不同程度的异质性，但对整体而言分子特征是由PDX主导的。

③ 构建的数据集独特之处在于，其是通过免疫荧光成像深入描述了肿瘤内的异质性，可以用于研究从亚细胞到整个肿瘤水平的多个空间尺度上的变化。（田斌）

注：PDX模型，即手术切除的肿瘤片段直接植入具有免疫能力的小鼠体内传代，正日益成为实体肿瘤研究的关键、可再生的资源。

PDX数据集的构建及肿瘤样本制备方法

A multi-modal data resource for investigating topographic heterogeneity in patient-derived xenograft tumors.

2019.10.31, DOI: 10.1038/s41597-019-0225-0

研究文章；癌症；人，小鼠，结肠，直肠，转移性结直肠癌，肿瘤异体移植，激光捕获显微解剖，数据集；Satwik Rajaram, MaikeA. Roth, Steven J.Altschuler, Lani F.Wu; University of California San Francisco, University of Texas Southwestern Medical Center; USA

时空技术

Spatial-Temporal Technology

ClumpSeq揭示肠道分泌细胞的空间表达程序

Nature Communications [IF: 14.919]

① 提出ClumpSeq技术，无需抗体富集即可提高稀有细胞类型的捕获，并利用了主要组织细胞类型的空间信息，从而实现对附着组织细胞的小团块进行测序。

② 将肠上皮细胞分离成2~10个小细胞团块，对团块进行HoechstDNA染色、富集、测序，根据肠上皮细胞转录组计算推断沿隐窝-绒毛轴的团块位置，检索特定分泌细胞的空间标志基因，推断单个测序的分泌细胞的位置，实现了分区重建，构建了小肠中所有上皮细胞类型的空间图谱，同时揭示了肠内分泌细胞不同分区免疫调节程序和异质性迁移模式。

③ 通过ClumpSeq在肠道分泌细胞的空间表达程序构建，显示该技术可用于重建其他组织和肿瘤中稀有细胞类型的空间图集。（马扬）

实验设计示意图

Clump sequencing exposes the spatial expression programs of intestinal secretory cells.

2021.05.24, DOI: 10.1038/s41467-021-23245-2

研究文章；时空技术；小鼠，空肠，肠道分泌细胞，稀有细胞，空间表达，ClumpSeq; Rita Manco, Inna Averbukh, Shalev Itzkovitz; Weizmann Institute of Science; Israel.

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