DOI: https://doi.org/10.1038/s41698-024-00564-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38521868
تاريخ النشر: 2024-03-23
المؤلف: Guangyu Fan وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم النسخ الجيني أحادي الخلية والمكاني
نظرة عامة
في هذه الدراسة حول سرطان الكبد الخلوي (HCC)، سعى الباحثون لمعالجة قيود علامات خلايا السرطان الجذعية التقليدية (CSC)، التي تتداخل مع خلايا الجذع الطبيعية وقد تعيق تجديد الكبد. من خلال دمج بيانات الخلايا المفردة (56,022 خلية من 20 عينة) والبيانات المكانية (38,191 نقطة من ثماني عينات)، حدد المؤلفون توقيع CSC يتكون من 107 جينات من خلال تحليل شبكة التعبير الجيني الموزون (WGCNA). كشفت خوارزمية CytoTRACE أن CSCs أظهرت مسارات تكاثر مرتفعة التنظيم تنظمها HIF1A، وأن مستويات CSC العالية ارتبطت بتراكم البلعميات SPP1+ (Macro_SPP1) التي تعبر عن ميتالوبروتينازات (MMP9، MMP12، وMMP7)، مما يشير إلى بيئة ميكروية ورمية ناقصة الأكسجين.
وجدت الدراسة أن كل من CSCs وMacro_SPP1 كانت مرتبطة بتوقعات سيئة واستجابة منخفضة للعلاج المناعي، مع إظهار التحليل المكاني لموقعها المشترك في المناطق الناقصة الأكسجين حيث تم استبعاد خلايا CD8 T. تم تحديد مسار إشارة SPP1 كوسيط رئيسي للتواصل بين الخلايا، مع SPP1-CD44 وSPP1-ITGA/ITGB كأزواج مستقبلات-ليغاند الرئيسية. نجحت هذه الأبحاث في بناء توقيع CSC وسلطت الضوء على الدور الضار لبيئة الورم الناقصة الأكسجين في HCC، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات لتعزيز تسلل المناعة والتغلب على مقاومة العلاج المناعي.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعات بيانات الخلايا المفردة GSE151530 وGSE149614، المستمدة من قاعدة بيانات التعبير الجيني (GEO)، إلى جانب البيانات السريرية والبيانات الوصفية من الدراسات الأصلية. شمل التحليل ما مجموعه 81,508 خلايا من 45 عينة من سرطان الكبد الخلوي (HCC). لأغراض التحقق، تم دمج مجموعات بيانات الخلايا المفردة الإضافية GSE166635 وGSE146115. تم إجراء تحليل على مستوى الكتلة باستخدام بيانات التعبير الجيني mRNA والمعلومات السريرية لمرضى HCC التي تم الحصول عليها من أطلس جينوم السرطان (TCGA) عبر UCSC Xena.
علاوة على ذلك، شملت الأبحاث بيانات من 13 مجموعة علاج مناعي متاحة للجمهور من قاعدة بيانات GEO والدراسات الأصلية. تم تصنيف المرضى ضمن هذه المجموعات بناءً على استجابتهم للعلاج: أولئك الذين كانت لديهم استجابات كاملة أو جزئية تم تصنيفهم كمستجيبين، بينما تم تصنيف أولئك الذين كانت لديهم حالة مستقرة أو متقدمة على أنهم غير مستجيبين. سهلت هذه المقاربة الشاملة تحليلًا قويًا للخصائص الخلوية والجزيئية المرتبطة بـ HCC وفعالية العلاج المناعي.
النتائج
توضح نتائج هذه الدراسة مشهد خلايا السرطان الجذعية (CSCs) في سرطان الكبد الخلوي (HCC) من خلال تحليل تسلسل RNA للخلايا المفردة لـ 45 عينة من HCC. تم تصنيف ما مجموعه 81,508 خلية إلى ست مجموعات، مع تحديد خلايا الظهارة الخبيثة عبر تحليل inferCNV. بعد استبعاد العينات التي تحتوي على أقل من 100 خلية خبيثة، تم تحليل 56,022 خلية من 20 عينة. أظهر مؤشر CytoTRACE، الذي يقيس الجذعية بناءً على التعبير الجيني، تباينًا كبيرًا بين خلايا الورم، حيث أظهرت CSCs زيادة واضحة في تنظيم مسارات التكاثر (مثل، نقطة تفتيش G2M، MYC، أهداف E2F) وتحولات أيضية نحو التحلل السكري مع تقليل تنظيم مسارات أيض الدهون. أكد تحليل الوقت الزائف وضع CSCs في بداية مسار التمايز.
حددت شبكة تحليل التعبير الجيني الموزون (WGCNA) توقيع CSC الذي يتكون من 107 جينات مرتبطة بتوقعات سيئة واستجابة منخفضة للعلاج المناعي. أظهر مؤشر CSC ارتباطًا قويًا مع مؤشر CytoTRACE عبر مجموعات بيانات متعددة، مما يثبت توقيع الجينات المحدد. علاوة على ذلك، أشار تحليل مجموعة أطلس جينوم السرطان (TCGA) إلى زيادة تسلل CSC في عينات الورم مقارنة بالأنسجة الطبيعية المجاورة، مما يرتبط بمراحل المرض المتقدمة والبقاء العام الأقصر. كما سلطت الدراسة الضوء على التفاعل بين CSCs ومكونات المناعة، كاشفة عن ارتباط إيجابي مع البلعميات المثبطة للمناعة M2 وارتباط سلبي مع خلايا CD8+ T. ومن الجدير بالذكر أن درجات CSC الأعلى كانت مرتبطة بعدم الاستجابة للعلاج المناعي، مما يبرز الدور الضار لـ CSCs في نتائج العلاج عبر أنواع السرطان المختلفة.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في دور خلايا السرطان الجذعية (CSCs) وتفاعلها مع بيئة الورم (TME) في سرطان الكبد الخلوي (HCC). قاموا بتصنيف العينات إلى مجموعات عالية CSC ومنخفضة CSC بناءً على درجات CSC، مما كشف أن المجموعة العالية CSC كانت تحتوي على نسبة أعلى بشكل ملحوظ من الخلايا الخبيثة وتسلل الخلايا النخاعية، وخاصة من نوع البلعميات SPP1+ (Macro_SPP1). وُجد أن هذا النوع مرتبط بتوقعات سيئة وأظهر أنماط تعبير جيني مميزة مرتبطة بإعادة تشكيل المصفوفة خارج الخلوية وكبح المناعة. تسلط الدراسة الضوء على إمكانية Macro_SPP1 في تعزيز خصائص CSC وتقترح وجود شبكة محلية داخل المناطق الناقصة الأكسجين من الأورام التي قد تسهل الحفاظ على CSC والتجنب المناعي.
كما استخدم المؤلفون علم النسخ المكاني لاستكشاف التنظيم المكاني لـ CSCs وMacro_SPP1، مؤكدين موقعها المشترك داخل مجموعات الورم. تم دعم هذه العلاقة المكانية بشكل أكبر من خلال تحليلات التواصل بين الخلايا، التي حددت مسار إشارة SPP1-CD44 كوسيط حاسم للتفاعلات بين CSCs وMacro_SPP1. تشير النتائج إلى أن محور SPP1/CD44 قد يلعب دورًا كبيرًا في تقدم الورم ومقاومة العلاج، مما يبرز أهمية استهداف هذه التفاعلات في استراتيجيات العلاج المستقبلية لـ HCC. بشكل عام، توفر هذه الأبحاث رؤى قيمة حول الآليات التي من خلالها تعدل CSCs TME وتسلط الضوء على علامات بيولوجية محتملة للتوقع واستجابة العلاج في HCC.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41698-024-00564-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38521868
Publication Date: 2024-03-23
Author(s): Guangyu Fan et al.
Primary Topic: Single-cell and spatial transcriptomics
Overview
In this study on hepatocellular carcinoma (HCC), researchers aimed to address the limitations of classical cancer stem cell (CSC) markers, which overlap with normal stem cells and may impede liver regeneration. By integrating single-cell (56,022 cells from 20 samples) and spatial data (38,191 spots from eight samples), the authors identified a CSC signature comprising 107 genes through Weighted Gene Co-expression Network Analysis (WGCNA). The CytoTRACE algorithm revealed that CSCs exhibited upregulated proliferation pathways regulated by HIF1A, and high CSC levels correlated with an accumulation of SPP1+ macrophages (Macro_SPP1) that express metalloproteinases (MMP9, MMP12, and MMP7), indicating a hypoxic tumor microenvironment.
The study found that both CSCs and Macro_SPP1 were associated with poor prognosis and reduced immunotherapy response, with spatial analysis showing their co-location in hypoxic regions where CD8 T cells were excluded. The SPP1 signaling pathway was identified as a key mediator of cell-cell communication, with SPP1-CD44 and SPP1-ITGA/ITGB as the primary ligand-receptor pairs. This research successfully constructed a CSC signature and highlighted the detrimental role of the hypoxic tumor microenvironment in HCC, emphasizing the need for strategies to enhance immune infiltration and overcome resistance to immunotherapy.
Methods
In this study, single-cell datasets GSE151530 and GSE149614 were utilized, sourced from the Gene Expression Omnibus (GEO) database, alongside corresponding clinical data and metadata from the original studies. The analysis included a total of 81,508 cells from 45 hepatocellular carcinoma (HCC) tumor samples. For validation purposes, additional single-cell datasets GSE166635 and GSE146115 were incorporated. Bulk-level analysis was conducted using mRNA expression data and clinical information for HCC patients obtained from The Cancer Genome Atlas (TCGA) via UCSC Xena.
Furthermore, the research included data from 13 publicly available immunotherapy cohorts from the GEO database and original studies. Patients within these cohorts were classified based on their response to treatment: those with complete or partial responses were categorized as responders, while those with stable or progressive disease were classified as non-responders. This comprehensive approach facilitated a robust analysis of the cellular and molecular characteristics associated with HCC and the efficacy of immunotherapy.
Results
The results of this study elucidate the landscape of cancer stem cells (CSCs) in hepatocellular carcinoma (HCC) through single-cell RNA sequencing analysis of 45 HCC samples. A total of 81,508 cells were categorized into six clusters, with malignant epithelial cells identified via inferCNV analysis. Following the exclusion of samples with fewer than 100 malignant cells, 56,022 cells from 20 samples were analyzed. The CytoTRACE score, which quantifies stemness based on gene expression, revealed significant heterogeneity among tumor cells, with CSCs exhibiting distinct upregulation of proliferation-related pathways (e.g., G2M checkpoint, MYC, E2F targets) and metabolic shifts towards glycolysis while downregulating lipid metabolism pathways. Pseudotime analysis confirmed the positioning of CSCs at the beginning of the differentiation trajectory.
Weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) identified a CSC signature comprising 107 genes associated with poor prognosis and reduced immunotherapy response. The CSC score demonstrated a strong correlation with the CytoTRACE score across multiple datasets, validating the identified gene signature. Furthermore, analysis of The Cancer Genome Atlas (TCGA) cohort indicated increased CSC infiltration in tumor samples compared to adjacent normal tissues, correlating with advanced disease stages and shorter overall survival. The study also highlighted the interaction between CSCs and immune components, revealing a positive correlation with immunosuppressive macrophage M2 and a negative correlation with CD8+ T cells. Notably, higher CSC scores were associated with non-responsiveness to immunotherapy, underscoring the adverse role of CSCs in treatment outcomes across various cancer types.
Discussion
In this study, the authors investigated the role of cancer stem cells (CSCs) and their interaction with the tumor microenvironment (TME) in hepatocellular carcinoma (HCC). They categorized samples into CSC-high and CSC-low groups based on CSC scores, revealing that the CSC-high group had a significantly higher proportion of malignant cells and myeloid cell infiltration, particularly of the SPP1+ macrophage subtype (Macro_SPP1). This subtype was found to be associated with poor prognosis and exhibited distinct gene expression patterns linked to extracellular matrix remodeling and immune suppression. The study highlights the potential of Macro_SPP1 in promoting CSC characteristics and suggests a localized network within hypoxic regions of tumors that may facilitate CSC maintenance and immune evasion.
The authors also employed spatial transcriptomics to explore the spatial organization of CSCs and Macro_SPP1, confirming their co-localization within tumor clusters. This spatial relationship was further supported by cell-cell communication analyses, which identified the SPP1-CD44 signaling pathway as a critical mediator of interactions between CSCs and Macro_SPP1. The findings indicate that the SPP1/CD44 axis may play a significant role in tumor progression and therapy resistance, underscoring the importance of targeting these interactions in future therapeutic strategies for HCC. Overall, this research provides valuable insights into the mechanisms by which CSCs modulate the TME and highlights potential biomarkers for prognosis and treatment response in HCC.