掃碼聯系客服
Cancer Cell ：腫瘤微生物+單細胞+免疫，最新前沿！
腫瘤微生物與宿主細胞以及與腫瘤免疫微環境的互作研究已成為最新科研前沿。2022年6月，Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology發表了題為The tumour-associated microbiome的評論文章，闡述了腫瘤相關微生物與腫瘤微環境的關系以及對癌癥治療的影響。2022年11月，Nature雜志上共同發表了題為Effect of the intratumoral microbiota on spatial and cellular heterogeneity in cancer的文章，揭示了腫瘤微生物與宿主細胞的相互作用，其中為了揭示兩者在單細胞層面的關系，作者用了單細胞RNA測序技術去捕獲微生物的轉錄本信息。由此可見，腫瘤微生物+單細胞+免疫，已成為腫瘤研究的最新前沿！
今天小編給大家帶來2022年10月發表在Cancer Cell（IF:38.585）上的腫瘤微生物研究，該研究基于單細胞技術分析腫瘤微生物與宿主的相互作用，揭示胰腺癌中與腫瘤細胞特異性配對的微生物，它們的存在與細胞類型特異性基因表達和通路活動有關，包括細胞運動和免疫信號傳導。同時該研究揭示了腫瘤-微生物組串擾可能調節胰腺癌的腫瘤發生，對臨床管理具有意義。
前言
研究表明胰腺癌患者的腫瘤中含有多樣化的微生物群，以及與微生物肽具有同源性的腫瘤新抗原。.這些微生物群產物可改變基因調控，誘導DNA損傷，刺激模式識別受體，增強突變KRAS信號，誘導炎癥發生和免疫抑制，與胰腺癌患者的化療耐藥性和預后顯著相關。
腫瘤微生物的研究存在以下難題，許多腸道微生物難以培養、個體間的微生物組差異大、少有模型揭示腫瘤-微生物間細胞層面的相互作用以及術后樣本污染使數據分析復雜化等。在本研究中，作者使用宿主-微生物組相互作用的單細胞分析技術SAHMI，在單細胞分辨率下檢測胰腺癌中的腫瘤-微生物組關系。
研究結果
scRNA-seq數據中宏基因組reads的檢測和驗證
作者基于開發的SAHMI技術在單細胞分辨率下評估宿主-微生物組之間的相互作用。簡單來說，SAHMI將讀取單細胞RNA測序數據的reads，并用基于K-mer分類方法的Kraken2Uniq軟件與參考宿主和微生物基因組進行比對并降噪，SAHMI通過使用分位數檢驗比較單個分類單元計數與其在陰性對照樣本中的分布來識別假陽性分類分配和污染，然后，去噪的微生物譜可以與宿主細胞轉錄組共同分析，可以與共享相同的scRNA-seq cell barcode的單個體細胞配對。
作者整合了兩個數據集scPDA1 和 scPDA2，包括41個胰腺導管腺癌（PDA）腫瘤樣本和14個正常胰腺組織的數據，SAHMI將94%的reads比對到宿主，4%為未分類，0.6%被分類為微生物物種，包括1962屬和7236種。作者在去除可能的假陽性分類和污染物物種后，并與其他技術如16S-rDNA測序的胰腺癌以及其他部位的微生物組數據進行交叉驗證比較。這些基準和驗證分析表明了SAHMI識別PDA 樣本scRNA-seq數據中來自微生物組reads的可靠性和準確性。
PDA中與細胞特異性相關的微生物
作者鑒定出19個同時存在于scPDA1和scPDA2中的細菌屬。該研究中，與正常樣本相比，腫瘤樣本的微生物總數普遍增加。在腫瘤樣本中，一部分barcode也標記了體細胞RNA（scPDA1,8.7%；scPDA2,8.9%），這提供了這些細菌與宿主細胞共定位的證據。宿主細胞和細菌的barcode配對表明，這些微生物與體細胞有關，但不能確定它們是細胞內的還是細胞外的，然而已有研究提供成像數據表明在胰腺腫瘤中檢測到的大多數細菌都是細胞內的。該研究中作者確定了胰腺癌中獨特的細菌相關的腫瘤狀態，這與先前的研究報道一致。
作者用UMAP可視化體細胞數據時，觀察到細菌在不同細胞類型中的分布并不均勻。同一細胞亞型內，與細菌相關的細胞通常聚集在一起，表現出共享的、廣泛的基因表達變化。在所有細胞亞型中，腫瘤細胞中相關細菌總數最多，而免疫細胞與腫瘤內的細菌有非特異性的相互作用。這些數據表明，胰腺腫瘤樣本具有改變的微生物群，可能對惡性腫瘤細胞具有細菌趨向性。
微生物與細胞類型特異性的多樣性和活動有關
細菌相關宿主細胞的共聚增加了宿主細胞因細菌存在而發生轉錄變化的可能性。在scPDA1和scPDA2中，帶有細胞相關細菌的樣本的腫瘤和髓系細胞的多樣性顯著增加，而T細胞群的多樣性顯著減少。
作者進一步研究了細菌的存在是否與宿主細胞類型特異性的基因的表達有關。在細菌有/無存在的樣本中，共鑒定出571個差異基因，部分基因在scPDA1和scPDA2中具有共同調控方向，腫瘤細胞中差異表達基因的數量最多。例如，艱難梭菌存在的腫瘤細胞，EDIL3表達明顯增加，該基因已被報道涉及多種組織的無菌和微生物誘導的炎癥，同時和胰腺癌的腫瘤生長和不良預后相關。與幽門螺桿菌共定位的腫瘤細胞中CRABP2的表達顯著增加，該基因已被報道為一種致癌基因，在口腔念珠菌病和癌癥的體內模型中表達上調。這些數據表明SAHMI鑒定的微生物可能與PDA的關鍵生長和炎癥過程有關。
作者進一步對這些差異基因進行了通路富集分析。結果表明，細胞相關細菌的存在與腫瘤細胞、正常上皮細胞和間質中的細胞運動、胞外基質相互作用和免疫信號傳導通路相關。為了驗證結果，作者將scPDA1和scPDA2中的細菌相關基因與TCGA胰腺癌隊列中發現的細菌相關基因進行了比較，結果具有高度一致性。
考慮到微生物組成的個體間差異和TCGA數據的基因組覆蓋范圍有限。以上這些單細胞分辨率的觀察結果一致地將微生物群與腫瘤微環境中單個細胞類型中關鍵的癌變相關的細胞過程聯系起來。
微生物存在的腫瘤具有激活的T細胞亞型
作者整合了來自scPDA1和scPDA2的T細胞數據，并基于典型亞型標記識別了調節T細胞、記憶、效應T細胞和自然殺傷T細胞。結果表明具有細胞相關細菌的腫瘤的T細胞更傾向于具有激活的表型（即自然殺傷T細胞、效應T細胞）。微生物有/無存在的腫瘤T細胞具有差異表達基因，這些差異表達基因在scPDA1和scPDA2中具有相同的調控方向，并在PD-1通路以及FOXO介導的轉錄和干擾素信號傳導通路中富集。這些結果與最近的報道一致，即腫瘤內細菌誘導免疫浸潤和抗腫瘤反應。
PDA中T細胞具有與細菌感染相關的轉錄信號
該研究中，廣泛的細菌-免疫細胞共定位和與免疫相關信號的關聯表明，微生物組影響PDA免疫應答。為了確定腫瘤微環境中單個T細胞的靶點，作者構建了一個隨機森林模型來準確區分PDA腫瘤微環境中單個T細胞到底受微生物刺激還是受腫瘤刺激。結果表明兩個PDA隊列中的絕大多數T細胞被歸類為具有細菌感染微環境模式。這一發現解釋了為什么胰腺腫瘤有高水平的炎癥，對免疫治療反應較差。
微生物組特征與患者生存率相關
由于缺乏大樣本量的單細胞PDA隊列生存數據，作者開發了一個梯度增強樹模型，來分類腫瘤有/無細胞相關細菌的表達，然后使用這個模型來預測公共數據庫（TCGA、ICGC和CPTAC）中胰腺癌樣本的細菌感染狀態，并使用單變量Cox比例風險模型來檢驗其與生存率的關系。結果表明，腫瘤微生物特征與胰腺癌患者的預后具有顯著相關性。
小編總結
在該研究中，作者使用SAHMI在獨立的胰腺癌隊列中分析了單細胞分辨率下的腫瘤-微生物組相互作用。與宿主細胞相關的微生物與在單細胞分析中確定的大多數細胞類型配對，主要定位于腫瘤細胞。腫瘤微生物的存在與細胞類型特異性的癌癥相關過程有關，包括細胞運動、細胞外基質相互作用、補體級聯和PD-1信號傳導。大多數PDA 中T細胞具有與感染相關的轉錄反應。同時作者也證實了腫瘤微生物特征與胰腺癌患者的預后具有顯著相關性。
讀萬卷書行萬里路，想要跨出第一步發腫瘤微生物文章，得多讀好文！歡迎關注轉發生信人，小編將為大家帶來更多前沿研究~
參考文獻
Bassel Ghaddar,Antara Biswas,Chris Harris, et al. Tumor microbiome links cellular programs and immunity in pancreatic cancer, Cancer Cell (2022). DOI: 10.1016/j.ccell.2022.09.009
