本研究由 Sidharth V. Puram、Itay Tirosh、Anuraag S. Parikh 等团队完成，发表在《Cell》杂志（171卷，1611-1624页，2017年12月14日）。他们所属的机构包括哈佛医学院、麻省总医院、Broad研究所、Weizmann科学研究所和其他合作机构。文章的通讯作者包括 Itay Tirosh、Derrick T. Lin、Aviv Regev 和 Bradley E. Bernstein。
头颈部鳞状细胞癌（HNSCC） 是一种异质性极高的上皮瘤，其与酒精和烟草暴露密切相关。尽管原发性基因组学和转录组学研究揭示了关键驱动基因突变、异常的调控程序以及疾病分型，但传统分析方法使用的样本是肿瘤的整体组织，未能捕捉肿瘤内细胞异质性的丰富信息。尤其是，转移至区域淋巴结是患病患者主要的疾病负担来源之一，但目前对原发瘤与转移瘤之间的异同仍然知之甚少。
单细胞转录组学（single-cell RNA-seq, scRNA-seq）提供了一种高分辨率手段，可用于揭示细胞异质性。本研究旨在通过对单细胞水平的转录程序分析，探索头颈部肿瘤生态系统中恶性、基质和免疫细胞的异质性，以及部分上皮-间质转化（partial epithelial-to-mesenchymal transition, p-EMT）程序与肿瘤侵袭和转移的关系。
研究对象包括18位未经治疗的患有口腔部位HNSCC的患者，从中提取了原发性肿瘤样本，以及5对匹配的原发性与淋巴结转移样本。一共收集了约6,000个单细胞的转录组数据，并结合全外显子测序（WES）和靶向基因分型等，研究了潜在驱动突变与基因组拷贝数的变化。
为了区分恶性细胞与非恶性细胞，研究采用了以下三种方法： 1. 利用大规模染色体拷贝数变异（CNV）的推断； 2. 根据上皮性标志基因的表达； 3. 根据细胞的全局转录模式的无监督聚类。
从所有患者样本中，一共筛选出2,215个恶性细胞和3,363个非恶性细胞。
通过t-SNE（t-分布邻域嵌入）分析，研究发现非恶性细胞主要包括T细胞、B细胞/浆细胞、巨噬细胞、成纤维细胞（CAFs, cancer-associated fibroblasts）和内皮细胞等八个群体。特别是，CAFs被进一步细分为两种亚群（CAF1和CAF2），分别显示出不同的基因表达特征，包括细胞外基质（ECM）蛋白的生产与信号传递活性。
在肿瘤内部，恶性细胞表现出显著的异质性。研究通过非负矩阵分解（Non-Negative Matrix Factorization, NMF）对10个原发性肿瘤中恶性细胞的表达程序进行分析，发现了以下常见的7种基因表达程序： - 与细胞周期G1/S和G2/M阶段相关； - 与应激和缺氧响应相关； - 涉及上皮基因的表达和分化； - 与部分上皮-间质转化（p-EMT）相关，表现为某些间质基因上调，但未发生上皮基因的完全丧失。
研究在7个肿瘤的数据中找到了p-EMT程序，并确认它在所研究的细胞中缺少经典EMT转录因子（如ZEB1/2，TWIST1/2等）。通过免疫组织化学染色发现，p-EMT相关基因的表达主要局限于原发性肿瘤的前沿靠近基质区域。
在功能验证中，研究通过流式细胞仪分拣和Matrigel侵袭测试发现，p-EMT高表达的细胞（p-EMT^high）表现出更高的侵袭能力，但增殖能力较弱。此外，TGF-β（转化生长因子β）的刺激显著增强了p-EMT程序的表达，并增加了细胞的侵袭性。
通过推测的配体-受体分析，研究发现，CAFs与p-EMT的表达细胞通过信号分子（如TGF-β）的互作促进了p-EMT的形成。进一步的功能实验表明，抑制TGF-β信号显著降低了p-EMT标志物的表达和细胞侵袭能力。
尽管在原发肿瘤和淋巴结转移瘤之间观察到了遗传和表达的某些差异，但两者的总体生态系统（包括恶性细胞及其转录程序）保持一致。p-EMT亚群仍然存在于转移瘤中，且其表达局限于肿瘤前沿。
单细胞转录组学技术让我们首次在活体人类肿瘤中定义了p-EMT程序，其介入头颈部癌的侵袭和转移具有重要临床意义。本研究为进一步研究上皮瘤的异质性和生态系统提供了参考，同时展示了单细胞数据与传统群体数据联合分析的潜力。这些发现可能有助于开发更精确的诊断和治疗策略，尤其是在减少不必要的手术和优化转移风险预测方面。