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单细胞测序与肿瘤研究

肿瘤治疗的一大难点在于肿瘤内部的细胞间异质性,这种异质性不仅包括基因组层面的差异,还包括转录组异质性和免疫微环境异质性。单细胞测序技术可以从单个细胞层面解析不同细胞类型和细胞状态,对肿瘤细胞、肿瘤相关免疫细胞及肿瘤中其它基质细胞的异质性进行深入研究。因此,单细胞测序已成为研究肿瘤异质性和免疫微环境的有力手段,有助于深入理解肿瘤疾病机制,发现治疗耐药原因,并开发新的治疗手段。

解析复杂疾病

单细胞测序技术可用于在多种组织和细胞群体中系统研究稀有细胞类型、细胞异质性、细胞进化以及细胞间相互作用,并且能够通过单个细胞产生的多维度信息,深入了解疾病发展过程中的精细变化,识别少数细胞引起的功能障碍。还可用于确定细分细胞类型,尤其是特定免疫细胞亚群在疾病发生、发展中的作用,进而对复杂疾病进行病因学解析。

疾病相关的细胞互作网络模型

图片来自 Danuta R. Gawel, et al. Genome Med. 2019;11(1):47.
分析肿瘤异质性

肿瘤的异质性可分为肿瘤间异质性和肿瘤内异质性。单细胞测序技术能够在单细胞水平测序基因组和转录组,进而为肿瘤间及肿瘤内的异质性分析提供有效手段。在图中的例子里,研究者使用 scRNA-seq 技术,首次描述了喉鳞状细胞癌(LSCC)的瘤内细胞异质性,并对免疫细胞的细胞状态进行了细分,还将肿瘤细胞进一步分为了不朽肿瘤细胞、增图注:疾病相关的细胞互作网络模型殖肿瘤细胞、转移肿瘤细胞、角化细胞样肿瘤细胞、免疫肿瘤细胞等 5 种特征不同的类型。

肿瘤细胞分类及基因表达谱

图片来自 Song L, et al. Int J Cancer. 2020;147(10):2879-2890.
了解免疫微环境

scRNA-seq 能够对肿瘤免疫微环境内的细胞进行精细分类,根据样本中细胞间的异质性,精确地定义细胞亚群的组成、分布、功能和发展状态,同时还可以发现新的细胞亚群。在下图的例子中,研究者使用 scRNA-seq 技术首次描述了骨肉瘤的免疫微环境特征,并发现在骨肉瘤髓系细胞类群中,M2 型肿瘤相关巨噬细胞占据主导地位,并且在肺转移灶肿瘤组织中发现了促炎性的 FABP4+ 巨噬细胞。


骨肉瘤免疫微环境


髓系细胞亚群

图片来自 Zhou, Y. et al. Nat Commun. 2020;11(1):6322.
发现耐药原因

scRNA-seq 能够以前所未有的单细胞分辨率对肿瘤的进展进行更全面分析,辨别单个癌细胞的真实特征,揭示肿瘤异质性,并识别具有表型意义的耐药癌细胞的特征。在图中的例子里,研究者利用 scRNA-seq 技术,在接受免疫治疗的黑色素瘤患者中,发现了一类可导致免疫治疗耐药性的肿瘤浸润免疫抑制细胞,并以该免疫抑制细胞为靶点进行联合用药的体外实验,发现了逆转肿瘤耐药性的可能途径,为临床治疗提供了新的思路。

scRNA-seq技术破解耐药原因

图片来自 Livnat Jerby-Arnon, et al. Cell. 2018;175(4):984-997.e24.
发掘治疗靶点

scRNA-seq 能够通过监测单细胞转录组的表达特征,识别患者免疫微环境的动态变化,并发掘潜在的治疗靶点。在图中的例子里,研究者使用 scRNA-seq 技术,在骨肉瘤患者中,发现 Treg 细胞表达 NK/T 细胞抑制性受体 TIGIT,在体外阻断 TIGIT 能够显著增强原代 T 细胞对骨肉瘤细胞系的毒性作用,提示靶向 TIGIT 对骨肉瘤有潜在的治疗价值。

图片来自 Zhou, Y. et al. Nat Commun. 2020;11(1):6322.
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