口腔鳞状细胞癌起始过程中癌前病变的单细胞和空间解析

背景

人类恶性肿瘤中约有90%都是实体瘤，其是一个复杂的多阶段过程，据报道癌症发生之前就会出现有助于癌症发生的癌前病变[1]。早在2002年发表在CA-A CANCER JOURNAL FOR CLINICIANS（IF:286.130）杂志上的一篇文章就已经报道口腔癌是全球公共卫生的主要威胁，其发病率和死亡率在近几十年里都没有显著改善，且口腔癌中90%是鳞状细胞癌（OSCC），该研究也指出癌前病变的研究对口腔癌的早期发现至关重要[2]。口腔白斑(Oral leukoplakia, OLK)是口腔癌中最常见的癌前病变之一，约有20%的患者最终发生癌变。因此，在癌前病变区域研究OSCC的起始是可能的，不过目前关于OSCC癌前阶段整体细胞景观和空间组织的研究很少。

单细胞RNA测序(scRNA-seq)有助于分析细胞亚群，并探索与疾病发生或治疗相关的特定特征和因素，此外空间转录组学(ST)的最新进展也使得同时获取空间组织信息和转录组数据，从而对特定组织或疾病发展过程中的基因表达进行全面的时空分析成为可能。今年3月刚刚发表在Cell Discovery(IF:30.079)杂志上的文章Single-cell and spatial dissection of precancerous lesions underlying the initiation process of oral squamous cell carcinoma就结合了scRNA-seq和ST两种技术，对OSCC发生相关的细胞群体和转录特征进行了全面的研究。研究识别出了上皮细胞中与OSCC发生相关的基因异常表达，并识别出不同的成纤维细胞、单核细胞和调节性T细胞亚群。此外研究也发现这些细胞亚群都会参与微环境的重塑。研究也在癌前病变周围观察到一种独特的免疫抑制性单核细胞亚群，以及VEGF信号通路的空间转换调控会促进癌症发生。

方案旨在分析口腔癌不同组织的单细胞转录及空间转录组数据，揭示口腔鳞状细胞癌起始相关的基因表达、功能富集、微环境组成及通讯特征，进而为研究OSCC的发生和潜在的干预策略提供参考。

概述

1. 基于scRNA-seq和ST数据刻画早期OSCC不同区域的细胞组成

2. 识别上皮细胞中参与OSCC起始过程的标志物

3. 刻画OSCC起始相关的成纤维细胞

4. 分析微环境中细胞的相互作用与OSCC起始的关联

5. 分析参与OSCC发病过程的细胞亚群

6. OSCC起始相关信号通路的空间转录分析

7. 分析验证免疫亚群在OSCC发病中的临床相关性

数据来源

技术路线

1. 基于scRNA-seq和ST数据刻画早期OSCC不同区域的细胞组成

使用scRNA-seq及ST数据对细胞进行聚类及评分，并根据标记基因进行细胞类型注释。从而揭示早期OSCC (T)、口腔白斑(DN)及正常区域(N)的细胞组成。

2. 识别上皮细胞中参与OSCC起始过程的标志物

使用单细胞数据对上皮细胞进行了重聚类，并基于拷贝数变异推断恶性细胞和非恶性细胞。同时刻画不同阶段细胞亚群的基因表达及通路富集。识别出OSCC起始过程中逐渐上调的基因，并通过ST数据及实验证实。

3. 刻画OSCC起始相关的成纤维细胞

使用scRNA-seq数据对成纤维细胞进行重聚类，结合ST数据观察各个细胞亚群的基因表达与富集的功能，从而分析其与OSCC起始的关联。

4. 分析微环境中细胞的相互作用与OSCC起始的关联

首先使用ST数据分析免疫细胞的分布，接着使用scRNA-seq数据刻画各个亚群的表达特征，细胞比例及功能。接着分析了各类细胞之间的相互作用。

5. 分析参与OSCC发病过程的细胞亚群

使用scRNA-seq及ST数据分析从DN到T阶段细胞亚群的比例、表达、功能富集及通路。

6. OSCC起始相关信号通路的空间转录分析

使用空间转录数据对经典癌症通路进行分析，包括相关细胞互作、基因表达分析。

7. 分析验证免疫亚群在OSCC发病中的临床相关性

分析不同类型样本微环境中的细胞组成，浸润水平，及信号通路强度，并通过小鼠模型研究抗TGFβ和抗PD-1抗体对OSCC起始的干预作用。

参考文献

1. The translational challenges of precision oncology.

2. Oral cancer and precancerous lesions.