食管鳞状细胞癌肿瘤发生中的空间转录组分析:DTX3L和BST2作为关键生物标志物

数字化空间转录组研究揭示DTX3L和BST2在食管鳞状细胞癌肿瘤发生中的关键作用

背景与研究问题

食管癌(Esophageal Cancer, EC)作为一种全球性高发的肿瘤疾病,其相关发病率和死亡率居高不下。食管鳞状细胞癌(Esophageal Squamous Cell Carcinoma, ESCC)是亚洲地区最为常见的组织学亚型。由于其进展迅速、治疗抵抗和高转移率,患者预后极差。早期发现和治疗ESCC已成为减少患者死亡率的关键。但是,ESCC起始和早期肿瘤发生的细胞和分子机制尚未完全明确,尤其是从正常组织到低级别瘤样变、高级别瘤样变,最终发展为侵袭性癌症的动态演进过程尚有待深入探索。

目前的研究主要关注ESCC中肿瘤细胞的行为,却忽视了肿瘤微环境(Tumor Microenvironment, TME)与肿瘤细胞之间的交互作用。近年的研究表明,癌症的进化主要受整个细胞生态体系的整体效能所驱动,而非单纯的肿瘤细胞功能。此外,由于空间定位及细胞间相互作用信息的丢失,传统的高通量RNA测序(Bulk RNA-Seq)和单细胞RNA测序(Single-cell RNA Sequencing, scRNA-seq)在解析肿瘤微环境作用机制方面存在局限性。因此,通过先进的空间转录组学工具揭示在不同病变区域中的分子重塑和免疫环境变化对于揭示癌症发生机理和开发治疗靶点具有重要意义。

研究来源

本文由Rutao Li等多位研究人员完成,作者主要来自苏州大学第一附属医院、第四附属医院及深圳市工程技术中心等单位。文章于2024年发表在《Genome Medicine》杂志上,题为“Spatial transcriptome profiling identifies DTX3L and BST2 as key biomarkers in esophageal squamous cell carcinoma tumorigenesis”。

研究目的和方法

本文通过数字化空间转录组(Nanostring GeoMx DSP)与单细胞空间转录组(CosmX SMI)技术,探究了从正常到癌变的分子及免疫学变化,旨在揭示ESCC发生中的关键分子特征,并提出其潜在的生物标志物和治疗靶点。

具体研究方法如下:

  1. 从11位PT1期ESCC患者的手术切除样本中,通过DSP技术分析包含正常组织、低级别瘤样变、高级别瘤样变及癌症区域在内的多阶段组织样本4个病变区域的转录组学差异。
  2. 对不同分子层(上皮细胞、免疫细胞及非免疫基质细胞)进行分区分析,着重研究在食管鳞癌肿瘤发生过程中关键基因的动态表达变化。
  3. 结合单细胞空间分子成像技术验证关键基因表达情况,并构建肿瘤细胞与巨噬细胞的细胞间通信网络。
  4. 补充免疫组化(IHC)分析、大规模RNA-Seq、单细胞RNA-Seq等公开数据集及体内外功能研究,系统评估候选生物标志物DTX3L和BST2对肿瘤发生和免疫环境的影响。

研究结果

空间转录组刻画了肿瘤发生中的分子和免疫学变化

研究首次同时在上皮细胞、免疫细胞及非免疫基质细胞三个层面全面解析了不同病变区域的转录组差异。以下为主要发现:

  1. 分子特征变化:在病变区域,从正常组织到低级别瘤样变、高级别瘤样变再到癌组织,上皮细胞中多种癌症相关基因的表达动态上调(如DTX3L、SLC1A5),基质细胞中免疫调控基因(如BST2)显著重编程。
  2. 通路变化:从正常到癌的分子重塑过程中,上皮层中涉及细胞增殖、DNA损伤修复和线粒体功能的相关通路显著异常;而基质细胞层中则观察到炎性因子、细胞因子(如IL-6, IL-10)及固有免疫相关通路上调。
  3. 免疫微环境变化:从正常到癌的过程中,肿瘤免疫抑制特征逐步增强。研究发现免疫抑制性巨噬细胞(M2型巨噬细胞)显著增多,其标志物CD68与CD163的蛋白表达量随肿瘤进展逐步升高。
鉴定关键细胞间信号及潜在生物标志物

通过单细胞空间转录组分析,研究揭示了肿瘤上皮细胞与巨噬细胞之间显著增加的相互作用,并发现关键配体-受体通路MIF-(CD74+CXCR4)的显著激活。进一步分析表明,MIF-CXCR4介导的信号有望成为抑制肿瘤进展的新型治疗靶点。

此外,DTX3L和BST2作为食管鳞癌进展中的潜在新生物标志物表现突出: - DTX3L在上皮细胞中显著上调,其表达与肿瘤细胞的增殖与迁移能力显著相关。 - BST2在非免疫基质细胞中显著上调,其表达水平与肿瘤相关免疫抑制现象(如M2巨噬细胞极化)呈显著相关。

功能性研究验证基因作用
  1. DTX3L敲低抑制肿瘤增殖与迁移:在细胞层面,敲低DTX3L显著抑制ESCC细胞的迁移能力及克隆形成能力。在小鼠模型中,DTX3L表达下降导致的肿瘤生长显著减缓。
  2. BST2影响肿瘤相关巨噬细胞极化:BST2敲低或抗BST2抗体治疗可抑制M2巨噬细胞标志物(如CD163)的表达,从而减弱巨噬细胞对肿瘤生长的促进作用。

研究意义与展望

本研究通过空间转录组技术首次解析了从正常组织到癌变ESCC肿瘤发生的分子转录图谱及免疫微环境重塑,为靶向干预提供了可能的新方向。以下为研究的几项亮点和潜在价值: 1. 创新方法论:引入DSP与SMI技术相结合的多层次解析方法,在肿瘤分区分层的研究中提供全新工具。 2. 生物标志物:DTX3L和BST2的表达变化不仅有助于早期诊断,还为ESCC的新型免疫治疗提供了可靠的生物靶点。 3. 潜在临床应用:以DTX3L和BST2为基础开发的抗体治疗和靶向小分子药物有望在未来治疗中起到重要作用。

尽管如此,文章也指出现阶段的局限性,如缺乏多组学整合(如基因组变异)及不同患者群体间的验证差异。

总结

本研究全面描绘了ESCC肿瘤发生过程中上皮细胞、免疫细胞及基质细胞的动态分子图谱,揭示了局部区域逐步的分子变化和免疫环境构建过程。同时,研究聚焦DTX3L和BST2两个关键标志物,不仅深入探讨了其对肿瘤和免疫微环境的深远影响,同时为肿瘤进展的早期检测和智能治疗提供了全新的视角,是ESCC领域的重要突破。