Analyse combinée de la transcriptomique unicellulaire et spatiale révèle l'hétérogénéité cellulaire de la voie Hedgehog dans le cancer gastrique

Analyse combinée de la transcriptomique unicellulaire et spatiale révèle l’hétérogénéité cellulaire de la voie Hedgehog dans le cancer gastrique

Contexte académique

Le cancer gastrique (Gastric Cancer, GC) est l’une des tumeurs malignes les plus courantes dans le monde, avec des taux d’incidence et de mortalité élevés. Malgré les progrès réalisés dans les traitements tels que la chimiothérapie, la radiothérapie et les thérapies ciblées, le traitement du cancer gastrique reste un défi majeur. L’invasivité et l’hétérogénéité du cancer gastrique en font une maladie difficile à traiter, en particulier pour les patients atteints de stades avancés dont le taux de survie est extrêmement faible. L’invasion et la métastase des cellules tumorales sont les principales causes de récidive et de décès, et les traitements actuels ne parviennent pas à résoudre complètement ces problèmes. L’immunothérapie, en tant que modèle de traitement prometteur, est également confrontée aux défis de la complexité du microenvironnement tumoral et de l’immunité. Par conséquent, une compréhension approfondie des mécanismes de la pathogenèse du cancer gastrique, en particulier à travers une exploration complète des niveaux génétiques, moléculaires et phénotypiques, est essentielle pour une meilleure gestion de la maladie et pour réduire le fardeau des patients.

La voie Hedgehog (Hh) joue un rôle important dans le développement embryonnaire et les tissus adultes, participant à la prolifération cellulaire, à la différenciation et à la morphogenèse tissulaire. Dans le cancer, l’activation anormale de la voie Hh est étroitement liée à la survenue et au développement de nombreuses tumeurs. En particulier dans le cancer gastrique, l’activation anormale de la voie Hh est associée à la prolifération, à l’invasion et à la métastase tumorales. De plus, la voie Hh influence également le traitement et le pronostic des tumeurs en régulant les caractéristiques des cellules souches cancéreuses. Bien que les stratégies thérapeutiques ciblant la voie Hh soient devenues un point focal dans le traitement du cancer, la voie Hh en tant que cible thérapeutique pour le cancer gastrique nécessite encore des recherches et des validations supplémentaires.

La technologie de séquençage unicellulaire a joué un rôle important dans la recherche sur le cancer, permettant de révéler la diversité tumorale, les modèles d’évolution, la résistance aux traitements et la réponse thérapeutique. Cependant, le séquençage unicellulaire ne permet pas de conserver les informations contextuelles spatiales. La transcriptomique spatiale (Spatial Transcriptomics, ST), en tant que technologie émergente, comble cette lacune en révélant la distribution spatiale et les interactions entre les cellules dans les tissus ou les tumeurs. En combinant les données de séquençage d’ARN avec les informations spatiales, la technologie ST fournit des informations détaillées sur les types de cellules, leur localisation et leurs interactions dans les tissus. Cette étude combine les données de séquençage unicellulaire et de transcriptomique spatiale pour explorer en profondeur les mécanismes moléculaires potentiels de la voie Hh dans le cancer gastrique, dans le but de fournir une compréhension plus approfondie de l’hétérogénéité tumorale du cancer gastrique et d’identifier de nouvelles stratégies thérapeutiques.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Guoliang Zhang, Guojun Xia, Chunxu Zhang, Shaodong Li, Huangen Wang et Difeng Zheng, tous issus du département de chirurgie générale de l’hôpital central de Shaoxing, dans la province du Zhejiang, en Chine. L’article a été publié en ligne le 9 septembre 2024 dans la revue Genes & Immunity, avec le DOI https://doi.org/10.1038/s41435-024-00297-0.

Processus et résultats de la recherche

Acquisition des données

Cette étude a utilisé trois types de données sur le cancer gastrique : des données de transcriptomique en vrac, des données de séquençage unicellulaire et des données de transcriptomique spatiale. Le jeu de données de transcriptomique en vrac et les informations cliniques associées proviennent de la base de données The Cancer Genome Atlas (TCGA), couvrant les données de 407 patients atteints de cancer gastrique. Les données de séquençage unicellulaire proviennent de la base de données Gene Expression Omnibus (GEO), notamment les entrées GSE163558 et GSE184198, comprenant 3 échantillons de cancer gastrique et 2 échantillons normaux appariés. Les données de transcriptomique spatiale proviennent de la base de données CROST (ID : visdp000078), qui intègre 1033 échantillons de transcriptomique spatiale provenant de 8 espèces, utilisant 5 plateformes technologiques : 10x Visium, Slide-seqV2, MERFISH, 10x Xenium et NanoString COO.

Analyse de séquençage unicellulaire

Dans l’analyse des données de séquençage unicellulaire, tous les échantillons ont été séquencés à l’aide de la méthode 10x single-cell. Ensuite, le package R “Seurat” a été utilisé pour générer des objets Seurat, intégrer tous les échantillons et effectuer le filtrage et la correction des données. Les mesures de contrôle de qualité ont exclu les cellules avec un nombre de gènes inférieur à 200 ou supérieur à 6000, ainsi que celles avec un pourcentage de gènes mitochondriaux (pctMT) dépassant 15 %. L’expression de chaque cellule a été normalisée à l’aide de la fonction SeuratNormalizeData, et la méthode logNormalize a été utilisée pour la normalisation. Ensuite, une analyse en composantes principales (PCA) a été effectuée sur les 2000 premiers gènes, et les 15 premières composantes principales significatives ont été sélectionnées pour les analyses ultérieures, avec une visualisation de la distribution des cellules à l’aide de UMAP (Uniform Manifold Approximation and Projection). Grâce à une annotation manuelle et à des gènes marqueurs de référence provenant d’études précédentes, les cellules ont été divisées en 10 populations cellulaires, y compris les cellules T, les cellules B, les monocytes, les plasmocytes, les mastocytes, les cellules épithéliales, les macrophages, les cellules endothéliales, les fibroblastes et les cellules musculaires lisses.

Score des gènes liés à la voie Hedgehog

Pour évaluer l’expression des gènes liés à la voie Hh dans le microenvironnement tumoral du cancer gastrique, cette étude a utilisé cinq méthodes de notation : AUCell, UCells, singscore, GSVA et AddModuleScore. En intégrant les résultats de ces cinq méthodes, une normalisation et une standardisation ont été effectuées pour générer un score global utilisé pour les analyses ultérieures. Les résultats ont montré que les gènes liés à la voie Hh étaient fortement exprimés dans les cellules épithéliales, les fibroblastes, les cellules musculaires lisses et les macrophages, en particulier dans les fibroblastes associés aux tumeurs, où leur expression était significativement plus élevée que dans les échantillons normaux.

Analyse des trajectoires de développement des fibroblastes

Sur la base du score Hh, cette étude a sélectionné la population de fibroblastes pour une analyse plus approfondie. En utilisant le package Monocle, les trajectoires de développement des fibroblastes ont été construites, révélant que les fibroblastes du Cluster 24 étaient aux stades précoces et intermédiaires du développement, tandis que les fibroblastes du Cluster 21 étaient au stade tardif. Étant donné que les fibroblastes du Cluster 21 provenaient d’échantillons tumoraux, cette découverte suggère que les fibroblastes normaux peuvent se transformer en fibroblastes associés aux tumeurs. Une analyse plus approfondie a révélé que l’expression des gènes Wnt2, Gli3, CCND1 et Hip1 augmentait progressivement au cours du développement des fibroblastes, indiquant que ces gènes pourraient jouer un rôle important dans la transformation des fibroblastes normaux en fibroblastes associés aux tumeurs.

Analyse des interactions cellulaires

Pour explorer en profondeur le rôle de Hh dans les fibroblastes du cancer gastrique, cette étude a divisé les fibroblastes en fibroblastes à expression élevée de Hh (Hh_high_fib) et en fibroblastes à faible expression de Hh (Hh_low_fib), et a utilisé le package CellChat pour analyser la communication intercellulaire. Les résultats ont montré que les Hh_high_fib interagissaient directement avec d’autres populations cellulaires, en particulier en tant qu’émetteurs de signaux avec les cellules épithéliales et les cellules endothéliales. Ces résultats suggèrent que les cellules épithéliales liées à Hh jouent un rôle clé dans les tumeurs gastriques.

Analyse de la transcriptomique spatiale

Dans l’analyse des données de transcriptomique spatiale, cette étude a utilisé la méthode 10x spatial transcriptomics pour traiter les données, et a utilisé le package R Seurat pour la normalisation et la suppression des effets de lot. Grâce à une réduction de dimension et à une analyse de déconvolution, 9 types de cellules différents ont été identifiés, y compris les cellules endothéliales, les cellules épithéliales, les Hh_high_fib, les Hh_low_fib, les macrophages, les mastocytes, les plasmocytes, les cellules musculaires lisses et les cellules T. L’analyse de corrélation a montré que les fibroblastes à expression élevée de Hh étaient significativement corrélés positivement avec les cellules musculaires lisses et négativement avec les fibroblastes à faible expression de Hh, indiquant que l’expression de Hh joue un rôle important dans le développement et la différenciation des fibroblastes.

Rôle des fibroblastes CCND1 dans le cancer gastrique

Sur la base du rôle important de CCND1 dans le développement des fibroblastes, cette étude a divisé les fibroblastes en fibroblastes CCND1 positifs (CCND1+ fib) et en fibroblastes CCND1 négatifs (CCND1- fib). Grâce à l’analyse des données de transcriptomique spatiale, il a été constaté que les fibroblastes CCND1 positifs étaient principalement fortement infiltrés dans les clusters 1, 5 et 6. Une analyse plus approfondie a révélé que les cellules du cluster 1 étaient au stade précoce du développement, tandis que les cellules des clusters 5 et 6 étaient au stade tardif, et que l’expression de CCND1 augmentait progressivement aux stades intermédiaires et tardifs du développement, suggérant qu’elle pourrait jouer un rôle important aux stades intermédiaires et tardifs du développement tumoral.

Analyse de survie par transcriptomique en vrac

En intégrant les données de transcriptomique en vrac, cette étude a évalué l’impact de l’infiltration des fibroblastes CCND1+ sur le pronostic des patients atteints de cancer gastrique. Les résultats ont montré que les niveaux de CCND1 étaient significativement plus élevés dans les tissus tumoraux gastriques que dans les tissus normaux, et que les patients avec une forte infiltration de fibroblastes CCND1+ avaient un pronostic plus défavorable. De plus, les fibroblastes CCND1+ étaient positivement corrélés avec la capacité d’échappement immunitaire des tumeurs, suggérant qu’ils pourraient influencer l’efficacité de l’immunothérapie.

Conclusion

Cette étude, en combinant les données de séquençage unicellulaire et de transcriptomique spatiale, a exploré en profondeur le rôle de la voie Hh dans le cancer gastrique. Sur la base des données de transcriptomique en vrac, il a été vérifié que l’infiltration élevée de fibroblastes CCND1+ est un facteur de risque pour les patients atteints de cancer gastrique et pourrait influencer les résultats de l’immunothérapie et de la chimiothérapie. Cette étude fournit des informations uniques sur la recherche sur le cancer gastrique et la voie Hh, et offre de nouvelles orientations pour les stratégies de traitement du cancer.

Points forts de la recherche

  1. Découverte importante : La voie Hh est fortement exprimée dans les fibroblastes du cancer gastrique, et l’infiltration élevée de fibroblastes CCND1+ est un facteur de risque pour les patients.
  2. Innovation méthodologique : La combinaison du séquençage unicellulaire et de la transcriptomique spatiale a permis de révéler de manière exhaustive l’hétérogénéité cellulaire et les interactions dans le microenvironnement tumoral du cancer gastrique.
  3. Valeur appliquée : Les résultats de cette étude fournissent de nouvelles orientations pour les stratégies de traitement du cancer gastrique, en particulier pour les thérapies ciblant la voie Hh et CCND1.

Directions futures de la recherche

Les recherches futures pourraient s’étendre à des données multicentriques et à des populations de patients diversifiées afin d’améliorer la généralisabilité et la robustesse des résultats. De plus, en combinant d’autres technologies omiques, une exploration plus approfondie des mécanismes moléculaires de la progression du cancer gastrique et de la résistance aux traitements pourrait contribuer au développement de stratégies thérapeutiques personnalisées plus efficaces.