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缺氧微环境决定癌症相关成纤维细胞的表型可塑性和空间分布
Clinical and Translational Medicine ( IF 7.919 ) Pub Date : 2023-10-14 , DOI: 10.1002/ctm2.1438
Jae-Il Choi 1, 2 , Eun Jeong Cho 3, 4 , Min Jae Yang 5 , Hyun-Jin Noh 2, 6 , So Hyun Park 1, 2 , Seokhwi Kim 1, 2 , You-Sun Kim 2, 6 , Chang Ohk Sung 3, 4 , Dakeun Lee 1, 2
Affiliation  

最近的单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq) 技术证实了多种癌症类型中以前未被认识到的癌症相关成纤维细胞 (CAF) 异质性。1在几种 CAF 亚型中,肌纤维母细胞 CAF (myCAF) 和炎症性 CAF (iCAF) 在各种癌症类型中均一致存在,构成了主要的 CAF 群体。2迄今为止,人们认为某些 CAF 亚型是响应特定的癌症驱动信号而形成的,并且 CAF 可以从一种状态转变为另一种状态。3, 4然而,控制从 myCAF 到 iCAF(或反之亦然)的表型转变的机制仍然很大程度上未知。

为了揭示导致 CAF 可塑性的隐藏机制,首先,我们使用七个大规模 scRNA-seq 数据集比较了 CAF 中差异表达的转录因子 (TF) 与正常组织成纤维细胞 (NF)(图 1A 和图 S1A)。我们发现只有 HIF1A(缺氧诱导因子 1-α)和 PRRX1 在 CAF 中通常被激活(图 1B-C)。我们最近发现 PRRX1 作为决定 myCAF 的主 TF,使我们认为 HIF1A 可能是建立 iCAF 表型的关键因素。5 CAF 中的 HIF1A 表达量普遍高于 NF(图 1D 和图 S1B)。轨迹分析表明 NF 逐渐分化为 CAF,并且 HIF1A 表达随着假时间的增加而逐渐升高(图 1E 和图 S1C-D)。与各器官中的NF相比,表达HIF1A的CAF的比例大大增加,但并非所有CAF都表达HIF1A(图1F),这表明CAF的异质性。

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图1
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HIF1A是定义 CAF 的关键转录因子。(A) 本研究中使用的七个公共 scRNA-seq 数据集。(B) 使用 singleR 和成纤维细胞标记基因从七个 scRNA-seq 数据中分别提取正常组织和癌组织的成纤维细胞。(C) 与七个数据集中的 NF 中的 TF 相比,CAF 中的 TF 上调。在所有分析数据集中,只有HIF1APRRX1的 TF 普遍上调。(D)每种癌症类型中 NF 和 CAF 中的标准化HIF1A表达(Wilcoxon 秩和检验)。(E) 从 NF 到 CAF 的伪时间进展伴随着HIF1A表达的增加。(左:点表示 Pearson 相关系数。误差线表示相关系数的 95% 置信区间。右: Pearson 相关性的log ( p值)。红线: p  = .05)。(F) 不同 NF 和 CAF 组中表达HIF1A ( HIF1A (+)) 的成纤维细胞的比例。与正常组相比,每个 CAF 组中HIF1A (+) 成纤维细胞的比例大大增加(Wilcoxon 秩和检验)。CAF,癌症相关成纤维细胞;NF,正常组织成纤维细胞。scRNA-seq,单细胞 RNA 测序。

从 scRNA-seq 数据中,我们发现了两个不同的 CAF 簇:一个是 myCAF,另一个是 iCAF(图 2A)。由于 HIF1A 是细胞对缺氧反应的主要转录调节因子,我们探索了这些簇中的缺氧途径特征。基因集富集分析 (GSEA) 证明了胰腺癌 iCAF 中的缺氧途径富集(图 2B)以及多种癌症类型的 iCAF 中(图 2C 和图 S2A-B)。随后的基因集变异分析 (GSVA) 强调了 iCAF 和 myCAF 特征之间的惊人对比(图 2D)。如前所述,iCAF 富含 TNFα 信号传导、缺氧、细胞凋亡和炎症反应等途径。2通过广泛的文献回顾,我们发现大多数这些途径在机制上与缺氧有关(图 S2C)。

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图2
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iCAF 富含缺氧途径,在体外缺氧条件下,CAF 失去了 myCAF 特征,但获得了 iCAF 特征。(A) 在 tSNE 图(左)中鉴定出来自胰腺癌的两个独特的 CAF 亚组。集群 1 显示 myCAF 签名,集群 2 显示 iCAF 签名(右)。(B) 使用 GSEA 分析的缺氧信号通路在 iCAF 中比在 myCAF 中显着上调。(C) 在大多数癌症类型中,iCAF 与上调的缺氧信号通路(HALLMARK 缺氧基因集的 GSVA 评分)相关(Wilcoxon 秩和检验,*** p  < .001)。(D) 跨多种癌症类型的 iCAF 和 myCAF 中普遍富集的信号通路(每个 CAF 亚型特征与 HALLMARK 基因集 GSVA 评分之间的 Spearman 相关性)。显示了每个 CAF 亚型的前 15 个信号通路(指示数据集来源的点)。所提出的途径均具有统计显着性(Spearman 相关p值 < .05)。(E) 源自胰腺癌的原代 CAF 在常氧 (O 2 21%) 或缺氧 (O 2 1%) 下培养。(F) 使用 qRT-PCR 数据(n  = 5)描绘了热图,显示了缺氧条件下培养的 CAF 与常氧条件下培养的 CAF 中 iCAF 和 myCAF 相关基因的比较。每个生物重复至少进行三次技术重复实验。显示相对于GAPDH 的mRNA 水平。(G) 缺氧条件下培养的 CAF 的 iCAF 和 myCAF 特征分数。使用 GSVA 包的单样本 GSEA 方法计算分数。(H)(上)常氧或缺氧条件下培养的 CAF 中 αSMA(红色)、IL-6(绿色)和 DAPI(蓝色)的代表性免疫荧光图(上)。比例尺,100 μm。(下)常氧或缺氧条件下 αSMA(+) 或 IL-6(+) CAF 相对比例的定量(事后 Bonferroni 检验的双向方差分析:** p < .05  。(I)在低氧条件下用 HIF1A 抑制剂 KC7F2 (10 μM) 处理 72 小时的 CAF#55 中分析IL-1AIL-1BIL-6IL-8VEGFA的 mRNA 水平。(Bonferroni 多重比较测试:** p  < .05)(J)使用在常氧或缺氧条件下培养 72 小时的 CAF 进行凝胶收缩测定。数据表示为平均值±SEM;n  = 5 个独立实验(双尾曼-惠特尼检验:** p  < .05)。CAF,癌症相关成纤维细胞;iCAF,炎症性 CAF;myCAF,肌纤维母细胞CAF;GSEA,基因集富集分析;GSVA,基因集变异分析;NF,正常组织成纤维细胞;TF,转录因子。

接下来,我们确定缺氧是否会在体外塑造 iCAF。使用在常氧或缺氧条件下培养的五株胰腺 CAF(图 2E 和图 S3A),我们测量了 iCAF 或 myCAF 相关基因的表达(表 S1)。一般来说,细胞因子的水平升高,而 myCAF 相关基因在缺氧 CAF 中通常受到抑制(图 2F 和图 S3B)。因此,缺氧 CAF 的 iCAF 相关 GSEA 评分显着较高,但 myCAF 相关 GSEA 评分较低(图 2G)。免疫荧光 (IF) 研究表明,在常氧条件下培养的 CAF 表现出表达高 αSMA 但不表达细胞质 IL6 的 myCAF 特征。而在缺氧CAF中,αSMA的表达显着减少,但IL6的表达显着增加(图2H)。这种表型改变依赖于 HIF1A,因为 HIF1A 抑制剂 (KC7F2) 逆转了缺氧条件下 iCAF 相关基因表达的增加(图 2I 和图 S3C)。此外,myCAF 表达高水平的收缩性细胞骨架,导致细胞外基质 (ECM) 重塑,5并且我们在常氧条件下培养的 CAF 中观察到显着的凝胶收缩。相反,缺氧的 CAF 失去了 ECM 收缩能力(图 2J)。总的来说,这些观察结果表明,CAF 在缺氧下失去了 myCAF 特征,但获得了 iCAF 特征。

然后,我们使用在常氧或缺氧下培养的两个 CAF 系进行 scRNA-seq(图 3A),这证明了缺氧 CAF 簇的分离(图 3B)和缺氧途径的富集(图 3C)。为了进一步表征,我们分别对这些 CAF 进行了 GSVA(图 3D 和图 S4-5)。这几乎完美地反映了人体组织 iCAF 中发现的上调或下调的信号通路(图 3E)。在缺氧 CAF 中还发现 iCAF 显着较高,但 myCAF 签名得分较低(图 3F)。

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图3
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缺氧 CAF 完美地反映了组织中发现的 iCAF。(A) 从两名胰腺癌患者(CAF#27 和 CAF#52)获得的 CAF 在常氧(O 2 21%)或缺氧(O 2 1%)下培养三天,然后进行单细胞 RNA-seq使用这些样本完成。(B) 缺氧条件下培养的 CAF 被视为一个独特的亚组。(C) 缺氧信号通路在缺氧 CAF 中富集(Wilcoxon 秩和检验)。(D) 通过 GSVA(左)和 GSEA(右)分析,在缺氧 CAF 中发现显着上调或下调的信号通路。(E) 组织的 iCAF 和缺氧条件下培养的 CAF 之间存在显着重叠。(F) 常氧或缺氧条件下 CAF 培养物中的 iCAF 和 myCAF 特征评分。CAF,癌症相关成纤维细胞;myCAF,肌纤维母细胞CAF;iCAF,炎症性 CAF;GSVA,基因集变异分析;GSEA,基因集富集分析。

对于人体组织验证,我们检查了 iCAF 是否优先存在于缺氧区域。为此,我们对胰腺癌组织进行了IF,并将iCAF定义为IL8-αSMA双阳性纺锤形细胞。由于 iCAF 中的相对 αSMA 表达较低,但在组织中仍能很好地检测到,因此我们使用 αSMA 来检测两种 CAF 亚型。由于缺氧通常发生在距功能血管约 100 μm 的实体瘤中(图 S6),6我们借助 StrataQuest 软件 (TissueGnostics) 计算了距血管 50 μm 增量区域中 iCAF 的数量。如图 4A 所示,iCAF 在船只附近很少见,而在远离船只的区域则经常被发现。在感兴趣区域 #3 (ROI#3) 中,iCAF 的数量根据与血管的距离逐渐增加 (图 4B),并且在其他 ROI 中也注意到相同的趋势 (图 4C)。最后,我们证实,与距血管≤100 μm的区域相比,远处区域的 iCAF 数量显着增加(图 4D),表明 iCAF 主要由缺氧 TME 形成(图 4E)。

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图4
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癌症组织的空间分析揭示了 iCAF 在缺氧区域的位置。(A) 人胰腺癌组织中 BS1 Isolectin-B4(白色)、IL-8(绿色)、αSMA(红色)和 DAPI(蓝色)免疫荧光染色的代表性图像。使用 TissueFAXS 扫描图像。(左)代表性(ROI#3)低倍率图像。T表示肿瘤。黄色框(“a”和“b”)代表靠近功能血管的区域,而橙色框(“c”和“d”)代表远离血管的区域。比例尺,200 μm。(右)左图框内区域的高倍率图像。箭头表示胞浆呈黄色染色的梭形细胞(IL-8和αSMA双阳性)CAF,本研究将其定义为iCAF。比例尺,20 μm。(B) 描绘容器 50 μm 增量区域的代表性分析图像(上)和显示 iCAF 数量的条形图(下)。(C) 根据七个不同 ROI 与血管的距离,IL8-αSMA 双阳性 CAF 的数量。(D) 每个指示区域中 IL8-αSMA 双阳性 CAF 数量与距离容器 ≤100 μm 的区域的相对比率(双尾曼-惠特尼检验:** p < .05  。(E) 本研究的说明性摘要。CAF,癌症相关成纤维细胞;iCAF,炎症性 CAF;ROI,感兴趣区域;αSMA,α-平滑肌肌动蛋白。

迄今为止,人们认为癌症分泌的IL1是产生iCAF的关键因素。4然而,这种特定的配体-受体相互作用无法解释 IL1 阴性肿瘤中 iCAF 的存在以及 iCAF 的各种特征信号通路。相反,这些很容易用“缺氧”来解释,因为 IL1 在缺氧细胞中转录上调7并且 HIF1A 是建立 iCAF 特征的主要调节因子,正如我们所证明的。此外,我们的概念支持之前提出的前提,即 iCAF 和 myCAF 可以从一种细胞状态逆转到另一种细胞状态3,因为肿瘤内的缺氧区域可能会根据肿瘤生长和血管生成而动态变化。与我们的发现一致,最近证明缺氧在小鼠模型中以 HIF1α 依赖性方式促进 iCAF 表型。8我们的结果提供了额外的证据,表明这一概念验证对于包括胰腺癌在内的各种人类癌症也有效。

总之,我们的综合分析表明,缺氧 TME 是 CAF 转化为炎症表型的主要驱动力。我们的发现为 CAF 生物学和 CAF 导向治疗策略提供了新的见解。





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更新日期:2023-10-15
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