基于单细胞测序与免疫浸润分析的结肠癌血管生成相关基因预后标志物研究

《Hormones & Cancer》：Integrative analysis of angiogenesis-related genes highlights prognostic indicators in colorectal cancer through single-cell sequencing and immune infiltration analysis

本研究针对结肠癌(CRC)预后标志物缺乏的问题，通过整合生物信息学与单细胞转录组分析，系统筛选出MMP14、CXCL12、SPP1、TIMP1和VCAN五个血管生成相关枢纽基因。研究发现这些基因在肿瘤微环境(TME)中特异性表达于成纤维细胞、巨噬细胞等基质细胞，且高表达与患者不良预后显著相关。该研究为CRC的免疫治疗靶点开发提供了新的理论依据。

　　

在全球范围内，结肠癌(Colorectal Cancer, CRC)的发病率和死亡率居高不下，其高度异质性和易转移的特性使得个体化治疗面临巨大挑战。肿瘤微环境(Tumor Microenvironment, TME)作为肿瘤细胞生存的"土壤"，其中血管生成(Angiogenesis)过程与免疫细胞浸润的相互作用，已成为影响CRC进展和治疗反应的关键因素。然而，血管生成相关基因(Angiogenesis-Related Genes, ARGs)如何调控TME并影响CRC预后的具体机制尚不明确。

为解决这一科学问题，Neelam Bhola等研究人员在《Discover Oncology》上发表了题为"Integrative analysis of angiogenesis-related genes highlights prognostic indicators in colorectal cancer through single-cell sequencing and immune infiltration analysis"的研究论文。该研究通过整合多个基因表达数据库(GEO)、蛋白互作网络(PPI)和单细胞转录组数据，系统筛选出5个关键ARGs枢纽基因，并深入揭示了它们在TME中的细胞定位及免疫调节功能。

研究人员首先从GSE44076、GSE41258和GSE81558三个GEO数据集中筛选出526个差异表达基因(DEGs)，与MSigDB中的ARGs取交集后获得18个候选基因。通过STRING数据库构建蛋白互作网络，并利用Cytoscape软件的CytoHubba插件识别出10个枢纽基因。生存分析显示MMP14、CXCL12、SPP1、TIMP1和VCAN这5个基因的高表达与患者总生存期缩短显著相关。

利用UALCAN和GEPIA2数据库验证发现，除CXCL12在肿瘤组织中下调外，其余4个基因在CRC组织中都显著上调，且表达水平与肿瘤分期正相关。TIMER数据库的免疫浸润分析显示，这些基因的表达与巨噬细胞、中性粒细胞等免疫细胞浸润程度显著相关。

单细胞转录组分析是本研究的一大亮点。通过TISCH2、IMMUcan scDB等数据库，研究人员在单细胞水平上解析了这些基因的表达特征。结果显示，MMP14主要表达于成纤维细胞和肌成纤维细胞；CXCL12富集于内皮细胞；SPP1在巨噬细胞和内皮细胞中高表达；TIMP1广泛表达于多种免疫细胞；VCAN则主要位于成纤维细胞和巨噬细胞。

伪时序分析进一步揭示了这些基因在细胞分化过程中的动态表达规律。例如，在成纤维细胞向恶性细胞或B细胞分化的轨迹中，MMP14、TIMP1等基因表达呈现阶段性变化，提示它们参与了TME的重编程过程。

细胞互作分析发现，表达这些枢纽基因的成纤维细胞、内皮细胞与恶性细胞之间存在密集的信号交流网络，表明它们可能通过协同作用促进肿瘤血管生成和免疫抑制。特别值得注意的是，SPP1表达与CD4⁺CTLA4⁺Treg细胞浸润正相关，TIMP1与CD8⁺PDCD1⁺T细胞相关，提示这些基因可能通过调节T细胞功能影响抗肿瘤免疫应答。

研究结论与讨论部分指出，MMP14、CXCL12、SPP1、TIMP1和VCAN这5个枢纽基因不仅可作为CRC的预后生物标志物，更重要的是它们通过调控血管生成、细胞外基质(Extracellular Matrix, ECM)重塑和免疫细胞招募等过程，在TME中发挥多重功能。例如，MMP14和TIMP1共同参与ECM remodeling，CXCL12介导免疫细胞趋化，SPP1和VCAN则与巨噬细胞表型转化密切相关。

该研究的创新之处在于将批量转录组数据与单细胞分辨率分析相结合，首次在单细胞水平上系统阐述了ARGs在CRC TME中的细胞特异性表达模式及其免疫调节功能。这不仅为理解CRC发病机制提供了新的视角，也为开发联合抗血管生成和免疫治疗的策略提供了潜在靶点。

然而，研究也存在一定局限性，如缺乏实验验证、样本量有限等。未来研究需要通过基因敲除、过表达等实验方法验证这些基因的功能，并在更大规模的临床队列中验证其临床应用价值。总体而言，这项研究为CRC的精准治疗提供了重要的理论基础和新的研究方向。