GUT（IF 31+）| DSP空间多组学技术解析结直肠癌的发生与进展，发掘临床相关生物标志物
编者按
深入理解结直肠癌（CRC）发生和进展的生物学机制，对于开发用于早期诊断的临床相关生物标志物，针对性治疗疾病是必不可少的。本研究通过结合空间DSP、成像质谱流式（IMC）以及前人单细胞数据，鉴定了与结直肠癌（CRC）与肿瘤发生相关的蛋白，可能作为早期检测和分期的候选生物标志物；同时阐明了在结直肠癌发病和进展基础上的生物学过程，CD47-SIRPα轴可能是结直肠癌的一个免疫治疗靶点。
01 文章详情
文章题目：Transcriptomic and immunophenotypic profiling reveals molecular and immunological hallmarks of colorectal cancer tumourigenesis.
中文题目：转录组学和免疫表型分析揭示结肠直肠癌肿瘤发生的分子和免疫学特征
发表时间：2022.11
期刊名称：Gut
影响因子：31.793
实验平台：GeoMx DSP、成像质谱流式（IMC）、IHC、单细胞测序
02 研究内容
1、研究目的
2、研究思路
3、研究结果
● 早期结直肠癌肿瘤发生的瘤内基因表达谱分析及候选生物标志物鉴定
利用DSP空间多组学平台在相同样本上进行圈选9个不同组织学的ROI感兴趣区域（挑选每个ROI内的PanCK 和 Vimentin 阳性表达部分），分析上皮细胞（PanCK +）和基质细胞（Vimentin +）转录变化。通过降维分析差异基因分析等，发现不同组织区域的上皮细胞和基质细胞基因表达具有差异。
Fig.1 早期CRC空间DSP转录谱分析
通过对不同区域转录组深入分析，鉴定出多个在不同组织区域之间表现出明显的表达变化的差异基因，推测可能作为早期CRC的理想生物标志物。接下来通过IHC验证这些差异基因表达的改变是否与蛋白质丰度的变化一致，从而验证选取的候选生物标志物（差异蛋白）,可以作为临床生物标志物。
Fig.2 早期结直肠癌中候选生物标志物的差异基因及蛋白
● CRC肿瘤发生过程中上皮细胞和基质细胞富集不同生物学过程
使用Wiki Pathways database进行富集分析，确定了7个与不同程度恶性转化相关的通路簇（C1-C7）。上皮细胞主要富集到C1、C2和C4 中的通路，与增殖、DNA损伤修复以及代谢等生物学过程有关；C3中的通路在上皮细胞和基质细胞都富集到，与肿瘤进展具有相关性；基质细胞主要富集到C5、C6和C7中的通路，与免疫抑制等恶性肿瘤发展生物学过程有关。说明在肿瘤发生过程中存在显著的转录组改变，并存在与恶性肿瘤相关的生物学过程，这些生物学过程特异性富集于肿瘤的上皮或基质细胞。
Fig.3 胚胎大脑中的DBI KD导致神经元数量增加
● 结直肠癌进展过程中的免疫变化，与CD47-SIRPα轴信号上调有关
通过富集分析发现很多与免疫相关的通路，接下来关注不同组织学区域之间的肿瘤（免疫）微环境的改变。通过免疫细胞反卷积算法，估计每个ROI中特定细胞亚群的相对丰度，结果发现免疫细胞相对丰度在正常组织到癌组织中均有所下降；成纤维细胞、内皮细胞和巨噬细胞的相对丰度增加。为了更好表征免疫微环境，进一步进行WikiPathways通路富集分析和差异基因分析。发现了在恶性转化早期的炎症反应，CRC发作伴随着先天免疫反应的激活；此外，CD276（B7-H3）和SIRPA（SIRPα）在高级别增生区域和癌区域的基质中表达增加。
Fig.4 结直肠癌进展过程中的免疫变化
接下来通过IHC，对差异基因CD276、SIRPA在蛋白层面进行验证，发现CD47以及SIRPα 从正常结直肠组织到癌组织的表达逐步增加。说明结直肠癌的发生发展与CD47-SIRPα轴信号上调有关。
Fig.5 CD47以及SIRPα 蛋白表达
● 巨噬细胞亚型在从正常组织到癌症的进展过程发生转变
为了更好的表征免疫微环境的改变，采用成像质谱流式（IMC）技术，发现从正常结直肠组织到癌组织特定的巨噬细胞群（CD68、CD163、HLA-DR、CD204）的相对丰度发生了显著的变化。为了确定巨噬细胞亚型，研究者采用前人已发表的单细胞数据集进行分析，发现从正常结肠组织到发育异常再到转变为肿瘤的过程中，髓系细胞浸润增加，巨噬细胞发生从促炎症性HLA-DR+ CD204+巨噬细胞亚群到HLA-DR-CD204+免疫抑制亚群的转变。
Fig.6 巨噬细胞亚型在从正常组织到癌症的进展过程发生转变
03 主要结论
本研究结合DSP空间组学、IMC以及单细胞数据分析技术从空间生物学角度深度剖析了伴随着CRC恶性转化的转录组和免疫学变化，不仅阐明了CRC发病和进展的生物学过程；也确定了与疾病进展密切相关的生物标志物，以及可能应用于临床免疫治疗的潜在靶标 CD47-SIRPα。
参考文献：
Roelands J, van der Ploeg M, Ijsselsteijn ME, et al. Transcriptomic and immunophenotypic profiling reveals molecular and immunological hallmarks of colorectal cancer tumourigenesis [published online ahead of print, 2022 Nov 28]. Gut. 2022;gutjnl-2022-327608. doi:10.1136/gutjnl-2022-327608
