泛癌單細胞分析癌癥相關成纖維細胞的異質性和可塑性

大家好呀，今天小編給大家帶來的是本月最新發表在nature communications上的一篇文獻，題目是“Pan-cancer single-cell analysis reveals the heterogeneity and plasticity of cancer-associated fibroblasts in the tumor microenvironment”（IF：17.694）。

癌癥相關成纖維細胞(CAF)是腫瘤微環境(TME)的主要成分，影響腫瘤標志物，但尚未對其在不同癌癥類型中的普遍特征進行系統研究。作者對10種實體瘤的226個樣本進行泛癌分析，以單細胞分辨率描述TME，說明異質性CAF的共性/可塑性。

主要結果：

• 主要CAF類型的激活軌跡分為三種狀態，與其他細胞表現出明顯的相互作用，并與免疫治療的預后有關。次要的CAF類型來源于其他TME成分(如內皮細胞和巨噬細胞) 。
• 廣泛存在的內皮-間充質轉變CAF，可能與SPP1⁺腫瘤相關巨噬細胞相互作用，與內皮-間充質轉變和生存分層有關。

背景：

TME中存在不同類型的非惡性細胞，主要包括成纖維細胞、免疫細胞和內皮細胞。以前的研究已經強調了TME在癌癥中不可或缺的作用，如腫瘤進展、治療耐藥、血管生成誘導和轉移。從機制上講，TME通過復雜和動態的途徑調節與癌癥相關的信號，涉及配體-受體相互作用、細胞因子/代謝物反應和細胞外基質沉積。

由于不同癌癥類型患者的TME細胞相似，最近進行了一些基于scRNA-seq的泛癌研究，這些泛癌研究只關注免疫細胞的特性，而忽略了不同細胞成分之間的相互作用。

結果：

Results1：Landscape of the TME in pan-cancer illustrated using scRNA-seq analysis

非監督聚類產生了總共34個與TME相關的簇。根據不同細胞類型的marker，這些簇被分為五個主要細胞成分，包括成纖維細胞(c1-c8，DCN，COL1A1)，淋巴細胞(c9-c17，CD3D，CD3E)，髓系細胞(c18-c24，CD68，CD14)，內皮細胞(c25-c28，VWF，PECAM1)和漿細胞(c29-c34，IGHG1，JCHAIN)。其余的細胞聚集為上皮細胞(EpCAM，KRT19)（圖1 a-c）。

與上皮癌細胞的組織類型特異性分布相比，不論癌癥類型還是組織類型，TME均無明顯偏倚。雖然五種TME組分在正常組織、鄰近組織和腫瘤組織中分布相對均勻，但來自癌癥/鄰近組織的細胞主要集中在特定的簇中(例如，c2和c9)，反之亦然(例如，c3)（圖1 d-e）。

C20(FABP4+巨噬細胞)，顯示出癌癥類型的豐富。與鄰近對照、早期和晚期原發腫瘤以及肺癌腦轉移相比較FABP4+巨噬細胞(c20)的比例逐步下降，提示FABP4+巨噬細胞可能與肺癌進展呈負相關。APOE+腫瘤相關巨噬細胞(TAM, c19)的異質性通過C1QC+和SPP1+細胞的互補分布表現出來。在不同腫瘤類型中，SPP1+ TAMs的比例從正常到鄰近/腫瘤樣本顯著增加，而SPP1-TAMs的比例不顯著增加，提示SPP1+ TAMs在腫瘤發生和代謝中的潛在作用。 （圖1 f-i）

腫瘤內皮細胞(TECs)和正常內皮細胞(NECs)的不同轉錄譜，包括TEC顯著上調胰島素反應相關基因(IGFBPs和INSR)、MAPK調控基因(如SPRY1)和免疫球蛋白(如CD320和IGHG4) ，這表明TECs可能在血管生成、腫瘤生長和免疫調節中發揮作用。（圖1 j）

Results2：Generalized activation of CAFs in the TME

CellphoneDB評估每個主要TME組分與上皮細胞之間的相互作用。總體交互作用按正常、鄰近和腫瘤的順序顯著增加。成纖維細胞、內皮細胞和髓系細胞之間的串擾在TME中占主導地位。腫瘤/鄰近樣本中，成纖維細胞與其他TME組分的串擾最頻繁，成纖維細胞可能通過與其他TME組分相互作用，在癌癥生物學過程中發揮重要作用。（圖2 a-c）

通過分別過度表達ACTA2、FAP/TGFB1和CFD，將三個數量占主導地位的主要成分(即c1、c2和c4)定義為癌癥相關肌成纖維細胞(CAFmyo)、炎性CAF(CAFinfla)和脂肪源性CAF(CAFadi)。

其他三個次要成分(即C6-C8)被鑒定為內皮細胞到間充質轉化CAF(CAFEndMT)、外周神經樣CAF(CAFPN)和抗原提呈CAF(CAFap)。SCENIC分析確定了CAFmyo、CAFinfla和CAFadi中可能存在的調節子。（圖2 d,e）

通過進化軌跡揭示了從NFS到CAF的兩條不同的激活路徑，增強了三種不同狀態的定義，CAFstate1(NFS)、CAFstate2(CAFmyo)和CAFstate3(CAFadi/CAFinfla)。EMT評分沿著CAF的激活軌跡逐漸增加，且CAFstate3顯著高于CAFstate1/2，提示在CAF激活過程中存在一個普遍的去分化過程。CAFstate2傾向于在血管生成中發揮作用，而CAFstate3同時高表達促血管生成基因和免疫調節相關基因。（圖2 f-h）

Results3：Interactions of CAFs with TME and epithelia

CAF_state3與NK/T亞簇之間的相互作用高于CAF_state1和CAF_state2。除了獲得性免疫外，CAF還可能調節先天性免疫細胞。TAM與CAF_Status3存在較多的受體配體對，而肥大細胞幾乎不與CAF相互作用。TECs與CAF_state2/3之間的相互作用比較強烈（圖3 a-f）

CAFstate3與免疫細胞之間的聯系最為緊密，CAF狀態可能在檢查點阻斷免疫治療中發揮重要作用。基于ssGSEA，使用三個獨立免疫治療數據的患者的bulk數據來估計每個State CAF的比例。CAFstate3的高比例與較差的總體生存率顯著相關，提示CAFstate3在免疫治療中具有潛在的獨立預后價值。（圖3 g）

Results4：Characterization of the plasticity of fibroblasts via pan-cancer analysis

CAF_ap高表達ACTA2、HLA-DRA和CD74。CAF_ap與腫瘤浸潤性T細胞的相互作用明顯多于CAF_myo。

CAF_ap可能是CAFs和TAMs之間的過渡位置。偽時序分析，顯示了一條可能的進化TAM-CAFap-CAFmyo路徑。過共聚焦mif成像在甲狀腺癌的間質中發現了少量共表達α-sma和CD163的細胞。CAF(Mylk)和TAM特異的調節子(MAFB和SPI1)沿TAM-CAFap-CAFmyo軌跡逐漸豐富，CAFap存在于這兩個調節子中（圖4 a-f）。

外周神經樣CAF(CAF_PN) ，特異性表達周圍神經相關基因（ MPZ, S100B, LGI4, PLP1 ）。此外， CAFPN在調節外周神經髓鞘形成過程中增加了獨特的轉錄調控因子(SOX2和SOX10) ，具有明顯的代謝特征（圖4 g）。

CAF_EndMT顯示了成纖維細胞和內皮細胞marker的雙重表達。并且，與正常組織相比，腫瘤組織種CAF_EndMT與其他細胞簇的通訊更強。CAF_EndMT處于從TEC到CAF_myo的過渡位置。

血管生成signature在CAF_EndMT中高度豐富。CAF_EndMT傾向于參與細胞遷移和血管發育途徑。

基于ssGSEA從TCGA隊列中估計了每個患者的CAF_EndMT打分。CAF_EndMT的高比例與幾種癌癥類型的預后不良有關（圖5）。

Results5：The triple interplay between CAFs, TECs, and TAMs in the TME

根據NicheNet分析估計，CD44在CAF_EndMT和TAM之間的相互作用計數方面排名第一，SPP1和APOE在所有受體配體對中在TAM中的表達最高。在腫瘤樣本中發現CAF_EndMT與SPP1+TAMS的相互作用多于與SPP1-TAMS的相互作用。在SPP1+TAMS與CAF_EndMT之間的相互作用中，富含SPP1_CD44。CD44的表達沿著EndMT的軌跡逐步增加，這一結果表明SPP1_CD44相互作用可能參與了EndMT過程（圖6 a-d）。

三種癌癥類型中，mIF表明一些SPP1+ TAMs (SPP1+CD68+)接近于CAF_EndMT(CD44+CD31+)。表型圖像和密度圖分別用于量化標記的表達和空間分布。排除缺陷區域后，定量分析CAF_EndMT細胞的空間密度分布，并將其分為高密度區(HDA)和低密度區(LDA)，與LDA相比，HDA中SPP1+ TAMs明顯富集。此外，在量化空間分布時，我們發現在CAF_EndMT20μm內SPP1+ TAM比值顯著高于20μm外。在7例結直腸腫瘤標本的空間轉錄譜中，CAF_EndMT和SPP1+TAMs的signature富集之間存在顯著的相關性。

總結：

本文對多種癌癥類型的單細胞圖譜進行了研究，對不同癌癥類型的成纖維細胞的單細胞轉錄圖譜的系統研究揭示了癌癥和間質細胞的異質性和癌癥生物學特征。大多數CAFs可能來自于局部正常成纖維細胞的激活。小部分CAFs來自內皮細胞、周圍神經和巨噬細胞。CAF_state3處于最去分化的狀態，與免疫細胞相互作用，預測免疫治療較差。因此，CAF分化可能促進免疫治療患者的分層。SPP1⁺ TAMs可能通過與鄰近的CAF_EndMT相互作用參與腫瘤血管生成，導致癌癥不良預后。