胃癌中AKR1C3阳性上皮状态与ACTA2阳性基质细胞及SPP1阳性巨噬细胞的空间关联研究

《Frontiers in Oncology》：Spatial association of an AKR1C3-positive epithelial state with ACTA2-positive stromal cells and SPP1-positive macrophages in gastric cancer

　　

引言： 胃癌中上皮状态相对于基质细胞和髓系细胞的空间组织仍未完全阐明。 方法： 研究人员整合了来自36例正常和肿瘤组织样本的单细胞RNA测序数据（GSE183904）与Visium空间转录组学数据（GSE251950）。在TCGA-STAD队列（n = 375）中评估了细胞状态特征，并对三名患者的标本进行了多重免疫组织化学检测。 结果： Epi4_AKR1C3和FB3_ACTA2在肿瘤组织中显示名义上的富集，而Mac2_SPP1在正常组织和肿瘤组织之间未显示出显著的组成差异。这三种状态较高的特征评分均与较短的总生存期呈名义上的关联（对数秩检验P值分别为0.044、0.019和0.048），尽管在多重检验校正后均无统计学显著性。空间解卷积识别出了共富集的区域，多重免疫组织化学提供了相应标志物定义群体之间存在紧密空间邻近性的概念验证证据。 讨论： 这些发现确定了胃癌中一个候选的AKR1C3相关的上皮-基质-髓系空间构型。需要进一步的机制性研究来验证其生物学和临床意义。

研究背景与问题提出

胃癌（Gastric Cancer, GC）仍是全球高发且致命的恶性肿瘤，其治疗挑战部分源于肿瘤的高度异质性。肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）由上皮细胞、癌症相关成纤维细胞（Cancer-Associated Fibroblasts, CAFs）和肿瘤相关巨噬细胞（Tumor-Associated Macrophages, TAMs）协同构成。尽管已知基质-髓系相互作用在胃癌中至关重要，但特定的上皮转录状态是否与附近的成纤维细胞-巨噬细胞群落存在空间关联，这一问题在很大程度上被忽视了。AKR1C3作为一种醛酮还原酶，与胃癌的侵袭和转移相关，可能代表一种更广泛的上皮基因程序。因此，本研究旨在探究AKR1C3阳性上皮状态是否与ACTA2阳性的肌成纤维样CAFs及SPP1高表达的TAMs存在空间上的邻近关系。

研究方法与技术路线

研究人员首先整合了单细胞RNA测序数据集（scRNA-seq, GSE183904，含10例正常和26例肿瘤样本）与Visium空间转录组学数据集（GSE251950，含9例胃癌患者的10张切片）。利用Seurat进行数据整合与聚类，鉴定出不同的细胞谱系和亚群状态。采用稳健细胞类型分解（Robust Cell Type Decomposition, RCTD）将单细胞状态映射到空间转录组数据上，并进行空间共富集分析。通过NicheNet算法推断潜在的配体-受体互作关系。此外，利用癌症基因组图谱胃腺癌数据集（TCGA-STAD, n=375）进行基于基因集变异分析（Gene Set Variation Analysis, GSVA）的生存分析。最终，对三名独立胃癌患者的标本进行多重免疫组织化学（Multiplex Immunohistochemistry, mIHC）染色，在细胞分辨率上验证标记物的空间定位。

主要研究结果

3.1 整合单细胞和空间图谱描绘胃癌细胞景观

通过分析150,963个高质量细胞，研究人员鉴定了T细胞、上皮细胞、B细胞、成纤维细胞等八大主要谱系。RCTD投影揭示了各谱系在肿瘤切片上显著的空间异质性，其中上皮、成纤维细胞和巨噬细胞信号在部分区域存在重叠。

3.2 Epi4_AKR1C3标志一种具有独特代谢特征的肿瘤相关上皮状态

通过对24,709个上皮细胞重聚类，获得9种上皮状态（Epi1-Epi9）。其中，Epi4_AKR1C3在肿瘤中名义上富集，携带烟酰胺和花生四烯酸相关转录本，且在Monocle 3拟时序轨迹中处于中间位置。在TCGA-STAD中，其高特征评分与较短总生存期呈名义关联（对数秩检验P=0.044）。

3.3 FB3_ACTA2代表一种肿瘤富集的肌成纤维样基质状态

从13,779个成纤维细胞中鉴定出四种状态，其中FB3_ACTA2在肿瘤中名义上富集，其基因本体论（Gene Ontology, GO）富集于血管发育和细胞粘附，符合基质重塑程序。其高特征评分与较短总生存期呈名义关联（多变量Cox回归P=0.021）。

3.4 Mac2_SPP1鉴定出一种具有吞噬和组织重塑特征的SPP1高表达巨噬细胞状态

12,580个巨噬细胞被分为四种状态，其中Mac2_SPP1在肿瘤与正常组织间丰度无差异，但其功能特征涉及受体介导的内吞和吞噬作用。其高特征评分与较短总生存期呈名义关联（对数秩检验P=0.048）。

3.5 适应性免疫分析揭示IL7R⁺记忆样和FOXP3⁺调节性T细胞状态的并发富集

B细胞和T细胞分析显示，肿瘤中T1_IL7R记忆样细胞和T4_FOXP3调节性T细胞在名义水平上比例升高，但无B细胞或T细胞特征与总生存期显著相关。

3.6 空间定位揭示Epi4_AKR1C3、FB3_ACTA2和Mac2_SPP1的区域性共富集

空间分析表明，这三个候选状态在部分肿瘤区域同时呈现高丰度估计值。三重细胞K最近邻（K-Nearest Neighbor, KNN）空间关联得分超过随机化零分布（经验P=0.001）。NicheNet预测了潜在配体-靶点关系，如TGFβ1-TGFβR1/TGFβR2和GAS6-AXL/MERTK。mIHC染色证实，Pan-CK⁺/AKR1C3⁺上皮巢与ACTA2⁺基质细胞及SPP1⁺/CD68⁺巨噬细胞在上皮-基质交界处相邻，定量距离分析显示短于随机的空间邻近性趋势。

讨论与结论总结

讨论部分总结： 本研究通过多组学整合分析，提名了一个由Epi4_AKR1C3、FB3_ACTA2和Mac2_SPP1构成的候选上皮-基质-髓系空间构型。Epi4_AKR1C3处于核心地位，其代谢特征可能通过脂质相关过程影响周围组织。FB3_ACTA2代表了参与活跃基质重塑的肌成纤维样状态。Mac2_SPP1的功能程序而非其丰度可能与肿瘤进展更相关。研究指出，这些标记基因应被视为代表性标志而非因果驱动因子。空间分析和mIHC结果支持局部空间关联，但并未证明存在一个离散或强制性的三细胞生态位。适应性免疫发现为理解肿瘤免疫环境提供了额外背景。研究的局限性包括生存关联仅为名义显著、缺乏匹配的正常组织空间数据以及mIHC样本量较小。

研究结论： 总之，Epi4_AKR1C3、FB3_ACTA2和Mac2_SPP1代表了转录上不同的上皮、基质和髓系状态，它们在胃癌微环境的特定区域表现出区域性共富集。这些状态的代谢、基质重塑和吞噬程序，连同探索性的生存关联和细胞分辨率的组织学邻近性，将一个AKR1C3相关的上皮-基质-髓系空间构型作为可检验的假说，供进一步的机制性研究验证。