IF 31.7 | CosMx SMI+类器官：揭示胰腺癌治疗后的肿瘤微环境重塑
期刊：Nature Genetics IF：31.7
01 文章背景及技术介绍
胰腺导管腺癌（PDAC）是一种非常致命的癌症，5年总体生存率仅约为13%。治疗失败的原因主要是由于对肿瘤细胞内在状态的转录重编程和肿瘤微环境（TME）中的细胞间相互作用缺乏了解。该研究利用SMI单细胞空间转录组技术，样本为PDAC原发肿瘤，这些肿瘤接受（n = 6）或未接受（n = 7）新辅助治疗，采用960-plex panel和包含30个额外定制探针的990-plex panel。共选取309 个FOVs，获得717493个单细胞数据。
SMI以亚细胞分辨率捕获胰腺肿瘤结构
02 文章结论
1. PDAC中不同细胞类型的空间分布和特征
以snRNA-seq数据为参考，使用监督聚类对细胞进行了注释，超过95%的细胞被成功标注为不同的细胞类型。细胞类型比例图表明未治疗的肿瘤中恶性细胞的数量显著多于治疗过的肿瘤，但非恶性细胞的数量在两组之间没有显著差异。在非恶性细胞中，只有CAFs在未治疗肿瘤中的细胞比例明显低于治疗肿瘤。随后对CAFs和恶性细胞进一步聚类分析，识别出五种亚型：炎性CAF（iCAF）、肌成纤维CAF（myCAF）、经典恶性细胞（CLS）、基底样恶性细胞（BSL）和恶性神经样祖细胞（NRP），其中CLS和BSL是最常见的恶性亚型，而NRP细胞仅占所有恶性细胞的4%。
SMI揭示胰腺癌的细胞类型多样性
2. PDAC中的恶性腺体在化疗前后具有不同的空间组织和恶性亚型组成
使用DBSCAN聚类算法，结合角蛋白免疫荧光信号和转录注释的恶性细胞空间位置，来定义恶性腺体，发现治疗过的样本中的腺体由更少的细胞组成，并且有更多的单一恶性细胞。这表明在治疗后，恶性细胞倾向于不再聚集成腺样结构。恶性亚型组成分析显示了65%的腺体主要由单一恶性亚型组成，而其他腺体则是不同亚型的混合。CLS占主导的腺体显著大于BSL和NRP占主导的腺体。随后分析了不同细胞类型之间的成对空间邻近关系，结果表明myCAF更靠近恶性细胞，而iCAF则更远离恶性细胞。
PDAC中恶性腺体的亚型组成和空间组织
3. 细胞毒性治疗会改变 LR 的相互作用
为了研究LR相互作用的变化，研究人员开发了一种新的计算方法，称为SCOTIA（Spatially Constrained Optimal Transport Interaction Analysis）。该方法结合了配体和受体的表达水平以及空间距离，通过最优传输算法来分析不同细胞类型之间的相互作用强度。通过比较治疗后残留肿瘤与未治疗肿瘤，研究发现CAFs与恶性细胞之间的相互作用强度差异最大。LR相互作用的富集分析表明，治疗后富集的LR对与趋化性、细胞因子信号传导、基质和ECM重塑以及免疫调节有关，而未治疗肿瘤中富集的LR对主要涉及整合素介导的响应、WNT信号传导、干扰素信号传导和特定的细胞因子信号。CLCF1–CNTFR和LIF–IL6ST在三个独立LR数据库中始终富集，这两个LR对与治疗抵抗相关。
CAFs与恶性细胞之间治疗相关的LR相互作用
4. 使用小鼠衍生的类器官系统来验证与治疗相关的LR
使用小鼠衍生的恶性细胞-CAF共培养类器官系统验证了SCOTIA识别的治疗相关LR对的可靠性。类器官在体外用化疗药物5-FU处理，之后分别对未处理和5-FU处理的类器官进行snRNA-seq。LR对分析发现经过5-FU化疗处理的类器官显示趋化作用和细胞迁移相关的LR对显著上调，而未经处理的类器官中则富集了与ECM和磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）通路相关的LR对。这些结果表明，SCOTIA方法在不同实验模型和物种中能够稳定地识别与治疗相关的LR对。
小鼠共培养类肿瘤中LR相互作用的验证
5. IL-6家族信号传导促进化疗耐受性
iCAFs与不同恶性细胞亚型的空间分布关系分析发现，尽管总体上iCAFs与恶性细胞相比myCAFs更远，但NRP（神经样前体）恶性细胞更倾向于与iCAFs共定位。iCAFs表达更高水平的IL-6家族配体。研究人员用100 nM 5-FU化疗药物联合或不联合10 ng/ml人重组IL-6处理Panc0203、 Panc1、AsPC1三种人类胰腺癌细胞系。5天后，使用CellTiter-Glo测量细胞活力。结果显示，对于Panc0203和Panc1这两个细胞系，IL-6在5-FU化疗条件下促进了癌细胞活力的增加，超出了IL-6单独作用下观察到的增殖变化，这表明IL-6可以增强癌细胞对5-FU的化疗耐药性。
IL-6家族信号传导在人胰腺癌细胞系中的作用
03 文章总结
该研究通过SMI空间转录组学技术对胰腺导管腺癌进行了深入分析，揭示了治疗后肿瘤微环境的重塑机制。研究人员利用单细胞空间转录组学和新开发的SCOTIA计算方法，解析了新辅助细胞毒性治疗对PDAC TME中细胞-细胞相互作用的影响。结果显示，治疗后CAFs和恶性细胞之间的配体-受体相互作用显著变化，特别是IL-6家族信号通路的富集与治疗相关。这种信号通路与上皮-间质转化、侵袭、转移及对化疗和放疗的耐药性密切相关。通过结合SMI空间分子成像和异种培养肿瘤类器官模型的实验，研究进一步证实了这些治疗相关的LR相互作用关系。整体而言，该研究揭示了细胞-细胞相互作用和空间组织在PDAC治疗反应和耐药性中的关键作用，为开发新型治疗靶点提供了重要的见解。
