单细胞RNA测序揭示与胃癌患者不良临床结局相关的促侵袭性癌症相关成纤维细胞亚群

Single-cell RNA sequencing reveals a pro-invasive cancer-associated fibroblast subgroup associated with poor clinical outcomes in patients with gastric cancer.

作者信息Xuechun Li, Zhao Sun, Gongxin Peng, Yi Xiao, Junchao Guo, Bin Wu, Xiaoyi Li, Weixun Zhou, Jiarui Li, Zhe Li, Chunmei Bai, Lin Zhao, Qin Han, Robert Chunhua Zhao, Xiaoyue Wang
PMID34976204
发布时间2022-01-01
DOI10.7150/thno.60540

实验完整度

包含单细胞转录组测序、TCGA生存分析、多重免疫组化空间定位以及Transwell功能实验等多层级验证,涵盖体外和患者样本。

主要模型

8对胃癌及相邻黏膜样本 THP-1细胞分化的M2巨噬细胞 胃癌样本分离的CAFs MSCs

重点核对

单细胞RNA测序:8对GC和AM样本,细胞数36987,Cell Ranger 2.0.1和Seurat 3.1分析 TCGA生存分析:423例GC样本,POSTN高表达(前30%)与总生存期缩短相关(cox比例风险模型, p=0.001) Transwell迁移实验:M2巨噬细胞(1x10^5)在上室,CAFs或MSCs(2x10^5)在下室,无血清培养12小时 Western blot验证periostin过表达:MSCs转导periostin或NC慢病毒,嘌呤霉素(2 μg/ml)筛选 多重染色配准:IHC和免疫荧光评估CAF亚群空间分布和与免疫细胞邻近关系

摘要

背景:癌症相关成纤维细胞(CAFs)的促肿瘤活性表明它们是癌症治疗的潜在靶点。CAFs在胃癌(GC)中的异质性机制仍不清楚,这阻碍了靶向CAFs的转化研究进展。因此,迫切需要全面了解GC中CAF亚群的分类、功能、激活阶段和空间分布。方法:在本研究中,通过对8对胃癌和相邻黏膜(AM)样本进行单细胞RNA测序,分析了CAF亚群的特征以及CAF亚群调控的肿瘤微环境(TME)组分之间的动态通讯。通过多重染色配准评估了不同Lauren分型GC中CAF亚群的空间分布,以及这些CAF亚群与促肿瘤免疫细胞亚群之间的邻近关系。结果:肿瘤上皮细胞表现出显著的瘤内和瘤间变异性,而CAFs主要表现出瘤内变异性。此外,我们在GC中鉴定出四个具有不同特性的CAF亚群。这四个CAF亚群与相邻黏膜中的常驻成纤维细胞具有相似特性,但也表现出增强的促肿瘤活性。此外,两个CAF亚群,即炎症性CAFs(iCAFs)和细胞外基质CAFs(eCAFs),与GC TME中的相邻免疫细胞亚群通讯。iCAFs通过分泌白细胞介素(IL)-6和C-X-C基序趋化因子配体12(CXCL12)与T细胞相互作用,而eCAFs通过表达骨膜蛋白(POSTN)与M2巨噬细胞相关。eCAFs作为促侵袭性CAF亚群,降低了GC患者的总生存期。结论:iCAFs和eCAFs不仅表现出增强的促侵袭活性,还动员周围免疫细胞构建有利于肿瘤的微环境。因此,抑制它们的激活可抑制GC“种子”,同时改善“GC”土壤,提示其代表了治疗GC的一种有前景的治疗策略。

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
胃癌中癌症相关成纤维细胞的分类、功能、激活状态和空间分布如何,它们如何与肿瘤微环境中的免疫细胞通讯并影响患者预后?
核心机制
iCAFs通过分泌IL-6和CXCL12与T细胞通讯,eCAFs通过表达POSTN与M2巨噬细胞相关,eCAFs通过重塑细胞外基质和趋化M2巨噬细胞促进肿瘤侵袭,导致不良预后。
主要证据
单细胞RNA测序鉴定出四个CAF亚群,其中eCAFs高表达MMP14、LOXL2和POSTN;TCGA数据显示POSTN高表达与较短总生存期相关;多重染色显示eCAFs主要分布在远端间质且与CD163阳性M2巨噬细胞空间相关;Transwell实验证明eCAFs和periostin过表达MSCs增强M2巨噬细胞迁移。
研究意义
抑制CAF(特别是eCAFs)的激活可能是一种有前景的胃癌治疗策略,因为它可以抑制肿瘤细胞(种子)并改善肿瘤微环境(土壤),从而可能提高患者预后。

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

单细胞转录组图谱构建

描绘GC肿瘤和相邻黏膜组织的细胞组成,识别主要细胞类型。

对8对GC和AM样本进行scRNA-seq,共获得36,897个细胞,聚类为七大细胞类型,包括上皮、内皮、成纤维、T、B、巨噬和肥大细胞。

2

CAF亚群鉴定与特征分析

揭示CAF的异质性,确定其亚群分类和激活状态。

通过对成纤维细胞聚类,鉴定出四个CAF亚群:肌成纤维细胞、周细胞、eCAFs和iCAFs,并分析其差异表达基因和GO富集。

3

TCGA预后关联分析

评估CAF亚群标记基因表达与胃癌患者预后的关系。

基于TCGA中423例GC样本,使用Cox比例风险模型分析POSTN表达与总生存期的相关性,并绘制Kaplan-Meier曲线。

4

CAF亚群空间分布分析

确定不同CAF亚群在肿瘤组织中的空间定位及其与免疫细胞的邻近关系。

使用免疫组化和多重染色配准技术对连续切片进行对齐,分析CAF标记物(如αSMA、COL1A1、CD34、periostin)的表达,并生成热图量化阳性密度。

5

细胞通讯分析

探究CAF亚群与免疫细胞之间可能的配体-受体相互作用。

使用CellPhoneDB分析基于基因表达推断细胞间通讯网络,重点关注iCAFs和eCAFs与T细胞、巨噬细胞的相互作用。

6

eCAF招募M2巨噬细胞的功能验证

验证eCAFs是否通过POSTN趋化M2巨噬细胞。

体外培养CAFs (第五代)和MSCs,通过Transwell迁移实验检测M2巨噬细胞迁移;通过Western blot验证periostin表达,并过表达periostin于MSCs观察其趋化作用。

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
人肿瘤解离试剂盒Miltenyi Biotec--
红细胞裂解液SolarbioR1010
台盼蓝SolarbioC0040
10x基因组学Chromium单细胞芯片试剂盒10x Genomics--
Dulbecco磷酸盐缓冲液+0.04%牛血清白蛋白Yeasen--
Countess II自动计数器Thermo Fisher Scientific--
EDTA抗原修复液ServicebioG1206
磷酸盐缓冲液ServicebioG0002
一抗(血管性血友病因子,α-平滑肌肌动蛋白)ServicebioGB11020;GB13044
Cy3偶联山羊抗兔IgG(H+L)ServicebioGB21303
异硫氰酸荧光素标记的山羊抗小鼠IgG(H+L)ServicebioGB22301
4',6-二脒基-2-苯基吲哚ServicebioGB1012
抗荧光淬灭封片稀释液ServicebioGB1401
荧光显微镜(尼康Eclipse Ti-SR)Nikon--
Triton X-100Solarbio9002-93-1
COL1A1(E8F4L)XP®兔单克隆抗体Cell Signaling Technology72026S
抗骨膜蛋白抗体Abcamab79946
抗兔IgG(H+L)F(ab')2片段(Alexa Fluor® 488偶联物)Cell Signaling Technology4412S
DMEM F-12培养基Gibco--
胎牛血清Gibco--
抗GAPDH抗体Cell Signaling Technology2118S
山羊抗兔IgG(H+L)-HRPNeobioscienceANR02-2
佛波醇12-肉豆蔻酸酯13-乙酸酯Sigma16561-29-8
白细胞介素-4KEXINkx20-4
Transwell小室(孔径8微米)Costar--
结晶紫SolarbioG1063
LV5载体(EF-1a/GFP&Puro)GenePharma--
E-钙黏蛋白ServicebioGB11082
CD8ServicebioGB11068-1
PD1CST86163T
CD163ServicebioGB14027
α-SMAServicebioGB111364
CD34ServicebioGB121693
骨膜蛋白Abcamab79946
I型胶原蛋白α1链CST72066T
山羊抗兔二抗ServicebioG1213
山羊抗小鼠二抗ServicebioG1214
显微镜(尼康Eclipseci)Nikon--

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
单细胞RNA测序
样本配对 (肿瘤与邻近黏膜) 采集自8名未经治疗的胃癌患者,组织解离方案、建库试剂盒和测序平台需按原文方法。
阅读提示:Methods: Human Tumor Specimens, Tissue Dissociation, Droplet-based single-cell RNA sequencing
TCGA生存分析
TCGA胃癌队列样本量 (377例用于相关性,423例用于生存分析),POSTN表达阈值 (前30%),协变量包括年龄、性别、肿瘤分期和基质组分。
阅读提示:Methods: The Cancer Genome Atlas (TCGA) data analysis; Results: eCAFs promote invasion... Figure 4E legend
空间分布分析
连续组织切片、抗体 (αSMA, COL1A1, CD34, periostin等) 及图像配准方法用于多标记分析。
阅读提示:Methods: Multistaining registration and positive density analysis; Results: Figure 4F-I and Figure S6
体外细胞功能实验
THP-1细胞分化M2条件 (PMA 100 ng/ml 24h, rest 24h, IL-4 30 ng/ml 24h), Transwell迁移实验参数 (细胞数量、孔径、时间), CAFs分离代数 (第五代用作eCAFs)。
阅读提示:Methods: Differentiation of THP-1 cells into M2 macrophages, Transwell migration assay; Results: Figure 6F-G and S10F