肿瘤起始干细胞将其微环境塑造成免疫抑制屏障和促肿瘤生态位

Tumor-initiating stem cell shapes its microenvironment into an immunosuppressive barrier and pro-tumorigenic niche.

作者信息Xi He, Sarah E Smith, Shiyuan Chen, Hua Li, Di Wu, Paloma I Meneses-Giles, Yongfu Wang, Mark Hembree, Kexi Yi, Xia Zhao, Fengli Guo, Jay R Unruh, Lucinda E Maddera, Zulin Yu, Allison Scott, Anoja Perera, Yan Wang, Chongbei Zhao, KyeongMin Bae, Andrew Box, Jeffrey S Haug, Fang Tao, Deqing Hu, Darrick M Hansen, Pengxu Qian, Subhrajit Saha, Dan Dixon, Shrikant Anant, Da Zhang, Edward H Lin, Weijing Sun, Leanne M Wiedemann, Linheng Li
PMID34496236
期刊Cell Rep
发布时间2021-09-07
DOI10.1016/j.celrep.2021.109674

实验完整度

综合运用单细胞RNA测序、类器官共培养、细胞耗竭、谱系示踪及临床样本分析,多层次验证了TAMM通过PGE2-EP4信号促进TSC增殖的机制。

主要模型

ApcMin/+小鼠肠道腺瘤模型 腺瘤类器官与MDC共培养 Bmi1-CreER谱系示踪小鼠模型 人结直肠癌(CRC)患者组织切片

重点核对

CRT方案:腹部照射5Gy,12小时后给予卡培他滨(700mg/kg)7天 celecoxib治疗组:饲料中混合100ppm celecoxib 类器官共培养:MDC与类器官1:1比例,用celecoxib(5-20μM)和EP4抑制剂AH23848(10-30μM)处理 巨噬细胞耗竭:Clodrosome腹腔注射,剂量50mg/kg,隔日一次,共4次 免疫荧光标记:CldU(10mg/kg)标记慢周期细胞,Ki67标记增殖细胞

摘要

Tumor-initiating stem cells (TSCs) are critical for drug resistance and immune escape. However, the mutual regulations between TSC and tumor microenvironment (TME) remain unclear. Using DNA-label retaining, single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), and other approaches, we investigated intestinal adenoma in response to chemoradiotherapy (CRT), thus identifying therapy-resistant TSCs (TrTSCs). We find bidirectional crosstalk between TSCs and TME using CellPhoneDB analysis. An intriguing finding is that TSCs shape TME into a landscape that favors TSCs for immunosuppression and propagation. Using adenoma-organoid co-cultures, niche-cell depletion, and lineaging tracing, we characterize a functional role of cyclooxygenase-2 (Cox-2)-dependent signaling, predominantly occurring between tumor-associated monocytes and macrophages (TAMMs) and TrTSCs. We show that TAMMs promote TrTSC proliferation through prostaglandin E2 (PGE2)-PTGER4(EP4) signaling, which enhances β-catenin activity via AKT phosphorylation. Thus, our study shows that the bidirectional crosstalk between TrTSC and TME results in a pro-tumorigenic and immunosuppressive contexture.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
肠道腺瘤中是否存在治疗抵抗的肿瘤起始干细胞(TrTSCs)?肿瘤微环境(TME)如何与TrTSCs相互作用?
核心机制
TrTSCs通过塑造免疫抑制微环境抵抗CD8 T细胞攻击,并招募肿瘤相关单核巨噬细胞(TAMMs),TAMMs通过分泌PGE2激活TrTSCs上的EP4受体,经AKT磷酸化增强β-catenin信号,促进TrTSC增殖。
主要证据
使用ApcMin/+小鼠模型、单细胞RNA测序、类器官共培养、巨噬细胞耗竭和谱系示踪等实验,证明PGE2-EP4信号增强β-catenin活性,抑制该通路可减少类器官生长和肿瘤形成。
研究意义
本研究揭示TAMM与TSC/CSC的相互作用在人类结直肠癌中持续存在,为理解肿瘤免疫逃逸和设计针对TME的治疗策略提供了新见解。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

建立小鼠腺瘤模型并实施CRT和celecoxib治疗

评估CRT和celecoxib对腺瘤进展的影响,为研究TSC和TME反应提供模型。

使用APCMin/+小鼠,在90-100天开始治疗,分为对照组、CRT组(5Gy腹部照射+卡培他滨700mg/kg 7天)、celecoxib组(100ppm混入食物14天)和联合组。

2

标记和追踪慢周期细胞

区分慢周期和增殖细胞,验证慢周期细胞是治疗抵抗的。

用CldU标记慢周期细胞,Ki67标记增殖细胞,通过免疫荧光分析CRT后不同时间点的细胞变化。

3

单细胞RNA测序分析

全面解析腺瘤中的细胞组分,鉴定TrTSCs及其与TME的相互作用。

从腺瘤中分离上皮和间充质细胞,进行scRNA-seq,结合UMAP、RNA velocity和CellPhoneDB分析。

4

验证TAMM对腺瘤类器官生长的促进作用

验证TAMM是否通过PGE2-EP4信号促进TSC增殖。

将M-MDCs与腺瘤类器官共培养,加入celecoxib或EP4抑制剂,观察类器官生长变化。

5

体内验证巨噬细胞耗竭对肿瘤的影响

检验TAMM在体内对肿瘤生长的必要性。

使用Clodrosome耗竭巨噬细胞,观察肿瘤数量和大小变化。

6

谱系示踪验证TAMM对TSC的调控

直接观察TAMM与TSC的相互作用及对肿瘤克隆的影响。

使用Bmi1-CreER;R26-LSL-GFP;ApcMin/+小鼠,研究CD68+ TAMM与Bmi1+ TSC的关联,并评估celecoxib处理效果。

7

人类CRC样本验证

评估小鼠模型发现对人类结直肠癌的适用性。

对59例人类CRC患者的组织切片进行H&E、IF和IHC染色,分析Krt15+Ascl2+ TrTSCs和CD68+ TAMM的关联。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
卡培他滨LC LaboratoriesC-2799
塞来昔布LC LaboratoriesC-1502
空脂质体----
IntestiCult类器官生长培养基(小鼠)StemCell Technologies06005
基质胶Corning356231
巨噬细胞集落刺激因子StemCell Technologies78057
AH23848SigmaA8227-25MG
抗Ki-67抗体ThermoFisherRM-9106-S1
抗BrdU/CldU抗体Novus BiologicalsNB500-169
抗Krt15抗体Novus BiologicalsNBP1-85602
抗Ascl2抗体Biorbytorb155740
抗CD68抗体Abcamab125212
抗磷酸化β-连环蛋白(Ser552)抗体----
抗Bmi1抗体Cell Signaling Technology6964
抗CD45抗体ThermoFisher15-0451-83
抗CD11b抗体ThermoFisher47-0112-82
抗Ly6c抗体ThermoFisher53-5932-82
抗Ly6g抗体ThermoFisher61-9668-82
抗MHCII抗体ThermoFisher17-5320-82
抗CX3CR1抗体Biolegend149020
抗COX-2抗体Cell Signaling Technology4842
抗活化的Caspase-3抗体Cell Signaling Technology9661S
抗磷酸化AKT抗体Cell Signaling Technology4060S
抗β-肌动蛋白抗体Abcamab8227
ECL Western印迹底物Pierce32106
小鼠MDSC分离试剂盒Miltenyi Biotec130-094-538
CD45微珠Miltenyi Biotec130-052-301

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物实验
小鼠品系:APCMin/+;治疗时间:90-100天;CRT方案:5Gy照射+卡培他滨剂量;celecoxib剂量;抗生素处理
阅读提示:STAR Methods:Animal therapy procedure
慢周期细胞标记
CldU剂量和注射频率;追踪时间和方法
阅读提示:STAR Methods:Dual labeling of active-proliferating and slow-cycling tumor cells
单细胞RNA测序
组织分离方法;测序平台和参数;数据分析方法(聚类、轨迹分析)
阅读提示:STAR Methods:Isolation of epithelial single cell, Isolation of lamina propria mesenchymal single cell, 10x Chromium single-cell RNA-seq library construction
类器官共培养
MDC分离方法;共培养比例(1:1);培养时间;抑制剂浓度;培养基成分
阅读提示:STAR Methods:3D Ex vivo organoid co-culture with MDCs
巨噬细胞耗竭
Clodrosome剂量(50mg/kg)和注射频率(隔日一次,共4次);分析时间(7-10天)
阅读提示:STAR Methods:Macrophage depletion
谱系示踪
小鼠基因型(Bmi1-CreER;R26-LSL-GFP;ApcMin/+);他莫昔芬诱导方案;celecoxib处理方案
阅读提示:STAR Methods:Animal therapy procedure, Figure 6C
人类样本分析
样本来源和数量(59例,其中35例可用);病理分期标准;染色和评分方法
阅读提示:STAR Methods:Human subjects, Figure 7
Western blot
抗体种类和稀释比例;蛋白质提取方法;显色底物
阅读提示:STAR Methods:Western blot analysis