文献分享–将空间转录组学和ECM成像结合在3D中用于绘制肿瘤微环境中的细胞相互作用(CosMx)

作者，Evil Genius

今天我们分享文献

知识积累

肿瘤是一个复杂的生态系统，由嵌入动态细胞外基质（ECM）中的恶性和非恶性细胞组成。在肿瘤微环境中，分子表型由细胞-细胞和ECM在三维细胞邻域（CN）中的相互作用控制。

除了致癌突变外，细胞-ECM和细胞-细胞相互作用影响肿瘤表型并塑造肿瘤微环境（TME）以促进或根除肿瘤，因此代表了有吸引力的治疗方法

事实上，ECM提供了肿瘤、基质和免疫细胞迁移的物理基质，并且可以通过ECM-受体相互作用和间接调节趋化因子和生长因子的可用性直接影响几乎任何癌症标志

同时，恶性细胞、间质细胞和免疫细胞之间的受体-配体相互作用也影响肿瘤生长和抑制、免疫识别和逃逸以及治疗反应和抵抗之间的平衡。

因此，对TME中ECM组成和细胞-细胞相互作用的深入综合研究对于查明肿瘤进展的驱动因素和确定个体肿瘤中基因突变以外的治疗弱点特别有吸引力.

结果1、在3D中对1例侵袭性、常规采集的NSCLC肿瘤进行多模式研究

单细胞分辨率下TME的分子组织学

CosMx进行了1000-plex RNA原位杂交。

经典marker细胞细胞注释。18种上皮细胞、基质细胞和免疫细胞类型的340，000多个细胞，并继续探索它们的3D邻域。

结果2、3D邻域能够无偏地识别TME多细胞niche

为了重建3D细胞邻域，利用STIM，它采用最先进的计算机视觉技术，计算对齐ST数据并以单细胞分辨率生成TME的3D分子图。

将每个细胞的3D邻域定义为包含位于50 mm中心到中心距离内的所有单元的球形空间和共享相同组织微环境的分组细胞。3D邻域的无偏聚类揭示了10个共享特定邻域组成的多细胞niche。

3D肿瘤图谱分析了超过200，000个细胞邻域，并在TME中识别出10个不同的、重复的和空间组织的多细胞niche。niche对应于并扩展了形态组织结构的专家注释，突出了3D邻域捕捉TME空间组织的能力。

结果3、3D邻域改善了肿瘤内免疫niche的识别和空间映射

系统地比较所研究患者的二维和三维邻域。

2D邻域的特点是邻居数量较少，细胞类型多样性低于3D邻域。

比较了2D和3D中T细胞niche的空间定位，并观察到3D-特定的细胞包围并在已经在2D中识别出的看似断开的T细胞niche之间形成桥梁，恢复它们的空间连续性。

3D细胞邻域的研究揭示了细胞微环境的复杂性和丰富性。在所研究的患者中，3D分析改善了T细胞niche的空间映射，并将树突状细胞niche与周围肿瘤表面区分开来。

结果4、3D邻域使TME多细胞niche中配体-受体相互作用的系统研究成为可能

TME是由肿瘤、基质和免疫细胞之间的串扰形成的动态组织。

空间邻域通讯。

3D邻域使系统研究物理上邻近的细胞之间的受体-配体相互作用成为可能，并揭示了哪些配体活动在多细胞niche中在空间上组织起来，包括众所周知的niche特异性细胞组成和功能的驱动因素。

结果5、树突状细胞niche内的通信网络精确定位主动免疫抑制相互作用，包括可药物化的免疫检查点

在免疫系统的选择性压力下，肿瘤细胞最终发展出抑制抗肿瘤免疫应答的策略，包括抗原呈递细胞（APC，即巨噬细胞和树突状细胞）的重编程。反过来，APC可以促进调节性T细胞（Tcells）的募集，进一步限制肿瘤特异性CTL的激活。

树突状细胞（Dendritic cells，DC）不仅在淋巴结内，而且在TME局部，都能传递肿瘤抗原特异性的免疫刺激或抑制信号，是调节局部抗肿瘤免疫应答的关键细胞

3D邻域映射了树突状细胞niche中的受体-配体相互作用网络，其中抗肿瘤免疫应答被编排。

结果6、二次谐波成像使得能够研究细胞邻域中的ECM

细胞的行为是由机械和分子的相互作用与他们的细胞邻居和周围的ECM控制

在肺中，弹性蛋白和胶原蛋白是主要的ECM成分。

TME的特征在于异质性ECM，其紧密跟随主要组织结构的空间分布，包括气道、血管、肺泡和促纤维增生基质

突出了SHG捕获TME细胞邻域中ECM动力学的能力，其中在肿瘤进展期间持续的重塑导致弹性肺ECM的降解及其被坚硬的富含胶原的基质的渐进性替代

结果7、多模式空间分析将成纤维细胞表型和ECM区室联系起来

成纤维细胞是全身主要的ECM生产者和组织者。在TME中，癌症相关成纤维细胞（CAF）负责恶性ECM典型的基质硬度增加和结构重塑。然而，CAF显示出显著的异质性，在TME中介导免疫群体的募集和激活的局部免疫应答的形成中也起着关键作用

成纤维细胞邻域的多模式分析揭示了它们的转录组学状态与特定ECM隔室和多细胞小生境的密切关联，并能够识别关键的局部ECM成分和调节剂

结果8、肿瘤浸润的多模式分析揭示了肿瘤表面的EMT niche

结合伪时间和3D niche分配，研究EMT在整个TME的肿瘤细胞中的空间分布，并注意到当从肿瘤核心向肿瘤表面和间质浸润的肿瘤细胞过渡时，EMT是如何被逐渐激活的。

在侵入周围基质之前，在EMT niche中的侵入分子表型。

机械转导途径介导对机械刺激的细胞应答，并且是肿瘤从最初的恶性转化到组织侵入和转移的进展的中心。ECM硬化，其通常伴随实体瘤，确实是肿瘤EMT和迁移（即“durotaxis”）的强有力的诱导物。

研究肿瘤周围EMT状态和ECM组成之间的关系，虽然浸润硬的促结缔组织增生性基质的肿瘤细胞确实具有间充质表型的特征，但EMT微环境中的肿瘤细胞与肿瘤床的其余部分相似，生活在缺乏胶原的ECM中，因此，虽然胶原沉积是组织张力的主要决定因素，但它可能维持浸润肿瘤细胞中的EMT，但它不能解释EMT niche中的EMT诱导。

结果9、伤口愈合样通讯网络激活EMT niche中的肿瘤整合素

肿瘤侵袭代表了转移级联的第一步--癌症相关死亡的主要原因--因此，对肿瘤侵袭初始步骤的机械理解对于准确预测和早期拦截肿瘤扩散至关重要。

对EMT niche中上调的细胞类型特异性基因的无偏分析揭示了几种在伤口愈合和肿瘤侵袭中起核心作用的关键分泌分子：肿瘤细胞中的LGALS1，成纤维细胞中的VEGFA和IGFBP5，以及巨噬细胞中的SPP1。表明它们在局部组织重塑中的功能作用，它们的表达不仅富集，而且几乎在空间上局限于EMT niche。

此外，SPP1+巨噬细胞最近已被确定为组织修复和纤维化期间肌成纤维细胞募集和活化的关键参与者

通过研究EMT niche中的肿瘤细胞接受了哪些细胞间相互作用，确定了10种富集的相互作用并绘制了它们的多细胞通信网络。

与肿瘤是“永不愈合的伤口”的假设一致，通常选择伤口愈合程序来促进肿瘤进展，EMT niche中的肿瘤细胞协调了成纤维细胞和巨噬细胞表型的局部招募和重塑。反过来，鉴于整合素信号在促进肿瘤存活，EMT和迁移中的核心作用，肌成纤维细胞和SPP1+巨噬细胞衍生的配体在肿瘤整联蛋白受体上的会聚提供了间充质样肿瘤细胞在EMT niche中积累的可能机制。

3D邻域捕捉到了TME在多细胞 niche中的组织方式，并揭示了将局部细胞生态系统和分子状态与受体-配体相互作用联系起来的 niche特异性分子机制。虽然数据的2D分析已经捕捉到了大多数细胞 niche，3D邻域改善了所研究患者中免疫 niche的识别和表征。肿瘤样本，11个3D邻域恢复了2D中看似断开的T细胞 niche的空间连续性。此外，3D分析捕获了免疫 niche和肿瘤表面之间的空间关系，并使研究树突状细胞 niche中的免疫抑制相互作用成为可能。

最后看看方法

细胞邻域

细胞niche

空间通讯

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