单细胞多组学解析结直肠肿瘤特征：揭示患者来源类器官与原发组织的分子异同及肿瘤微环境互作机制

这篇研究通过单细胞核多组学（snRNA-seq和snATAC-seq）技术，对10万+高质量细胞核进行分析，揭示了结直肠癌（CRC）患者原发组织与匹配类器官（PDOs）的转录组和表观遗传特征。研究发现正常类器官（N-PDOs）能复现结肠隐窝的细胞组成和分化轨迹，而肿瘤类器官（T-PDOs）保留原发肿瘤的体细胞突变谱并呈现患者特异性异质性。关键发现包括：1）鉴定出肿瘤特异性上皮亚群（Cancer1/2）及其拷贝数变异（CNV）；2）发现成纤维细胞通过激活素（INHBA-ACVR1B/ACVR2A）信号通路驱动肿瘤微环境（TME）互作；3）揭示T-PDOs中干细胞样转录程序和药物敏感性差异。该研究为CRC个体化治疗提供了重要模型和靶点。

　　

Abstract

结直肠癌（CRC）作为全球高发恶性肿瘤，其分子机制和微环境互作尚存诸多未解之谜。本研究通过单细胞核多组学技术，首次系统比较了原发肿瘤组织、癌旁正常组织及其匹配患者来源类器官（PDOs）的分子特征。研究发现正常类器官（N-PDOs）完美复现了结肠隐窝的细胞组成和分化轨迹，而肿瘤类器官（T-PDOs）则展现出患者特异性异质性，同时保留原发肿瘤的体细胞突变谱并产生新突变。

What's New?

研究亮点在于：1）发现T-PDOs持续维持干细胞样状态；2）首次通过多组学数据揭示成纤维细胞通过激活素（INHBA-ACVR1B/ACVR2A）信号通路与上皮细胞互作；3）在类器官培养体系中观察到克隆动态演变和药物敏感性差异。

1 INTRODUCTION

CRC的5年生存率在晚期骤降至13%，亟需深入解析其分子特征。研究聚焦微卫星稳定（MSS）型CRC——这类占病例85%却对免疫治疗无响应的亚型。现有单细胞研究多局限于原发组织或类器官单方面，而本研究首次将二者直接对比，揭示培养体系对肿瘤特征的保留与变异。

2 METHODS

研究纳入9例55-89岁CRC患者样本，采用10x Genomics多组学平台构建单细胞核RNA/ATAC文库。创新性应用SNP分型解卷积混合样本，通过加权最近邻（WNN）算法整合多组学数据。生信分析涵盖差异表达基因（DEGs）、染色质可及性区域（DARs）、拷贝数变异（iCNV）推断等模块。

3 RESULTS

3.1 多组学整合揭示正常与CRC组织的细胞特异性差异

43,804个细胞核分析显示：

• •

  上皮细胞和成纤维细胞在肿瘤/正常组织间存在显著转录组和表观组差异

• •

  肿瘤样本中T细胞和髓系细胞比例异常（如COL3A1在成纤维细胞、KRT20在上皮细胞的特异性开放染色质）

3.2 CRC特异性上皮亚群特征

8,245个上皮细胞中鉴定出：

• •

  肿瘤特异性Cancer1/2集群：Cancer1高表达HLA I类基因（潜在免疫逃逸），Cancer2富集磷脂酰肌醇通路基因（如PLCB4）

• •

  染色体8q/20q扩增（7/9患者出现）与MSS型CRC相关

• •

  BEST4细胞分化受MEIS1/SPIB/NOTCH2调控网络驱动

3.3 肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）的多面性

8,151个成纤维细胞分析发现：

• •

  CAF1/2通过INHBA-ACVR1B/ACVR2A轴与上皮细胞互作

• •

  CAF2特异性高表达HIF1A-MMPs通路基因（如MMP1/3），促进ECM重塑

• •

  IL11+CAF2亚群与CRC不良预后相关

3.4 N-PDOs的细胞图谱

28,604个N-PDOs细胞显示：

• •

  左/右半结肠来源类器官呈现分化偏好性

• •

  伪时序分析重现隐窝分化轨迹：干细胞→吸收性（UGT1A8+）或分泌性（HES6+）谱系

• •

  簇细胞分化受POU2F3调控元件支配

3.5 T-PDOs的异质性

41,914个T-PDOs细胞中：

• •

  非负矩阵分解（NMF）识别4种元程序：增殖（MP1）、应激代谢（MP2）、干细胞样（MP3）

• •

  P007患者类器官独特缺失MP3程序

• •

  KRAS-G12D突变类器官对MRTX1133敏感，泛ErbB抑制剂阿法替尼展现广谱疗效

4 DISCUSSION

研究证实PDOs能捕获CRC核心特征：N-PDOs模拟正常上皮生物学，T-PDOs保留肿瘤干细胞程序。但需注意培养过程中克隆选择带来的偏差。激活素信号通路和HIF1A-MMP轴成为潜在治疗靶点。该多组学图谱为个体化医疗提供了重要资源，未来可整合类器官药敏检测指导临床决策。