基于單細胞與空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)評估細胞間互作分析算法

01

靶向PD-L1的CSR提升CAR-T細胞療效的分子機制

CAR-T療法在血液惡性腫瘤中療效顯著，但在實體瘤中治療效果卻并不明顯，其主要原因包括實體瘤細胞表達的PD-L1等抑制性分子結合CAR-T細胞表面的PD-1進而抑制CAR-T細胞的功能，以及CA-T細胞的持久性太低，為了將PD-L1對CAR-T細胞的抑制性信號轉(zhuǎn)換為激活信號，多個研究組在CAR-T細胞中共表達靶向PD-L1的嵌合轉(zhuǎn)換型受體（CSR），并提升了CAR-T細胞的抗腫瘤活性，但目前對于共表達在CAR-T細胞的CSR會不會影響CAR-T細胞本身的PD-L1對CAR-T細胞抗腫瘤活性仍不清楚。

在本研究中設計了不含有CD3ζ鏈的靶向PD-L1的CSR分子CARP，獲得的CARP-T細胞不具有腫瘤殺傷活性，并在體外和小鼠模型中證明了CARP-T細胞能夠提升CAR-T細胞的抗腫瘤活性，促進中樞記憶樣CAR-T細胞的分化，同時降低CAR-T細胞IL5、IL10和IL13等Th2型細胞因子的分泌，這個過程可能是由于CARP分子能夠反式結合激活CAR-T細胞表面的PD-L1，導致CARP-T細胞與CAR-T細胞間發(fā)生連接，進一步scRNA-seq發(fā)現(xiàn)CARP-T細胞與CAR-T細胞間的連接促進了兩種細胞間CD70與CD27分子的交流，這個信號通路進一步促進了記憶樣CAR-T細胞的分化和降低了Th2類細胞因子的分泌，最終提升了CAR-T細胞的抗腫瘤活性，另外研究團隊還發(fā)現(xiàn)靶向CD19的CRS-T細胞也能夠共表達CD19分子的提高CAR-T細胞的抗腫瘤活性。這意味著此類細胞間的交流不局限于PD-L1，后續(xù)也有可能會發(fā)現(xiàn)更多的CSR來提高CAR-T的治療效果。

02

測評來了--整合單細胞與空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)評估細胞間互作分析算法

每個細胞就像一個人，都有自己的社交網(wǎng)絡，這也構成了多細胞生物生命活動的基礎，細胞間相互作用（CCI）可以通過配體、受體、代謝物等信號分子來進行，從而實現(xiàn)胞內(nèi)調(diào)控網(wǎng)絡與胞外信號的動態(tài)調(diào)控過程，單細胞轉(zhuǎn)錄組技術和空間轉(zhuǎn)錄組技術的發(fā)展使得通過計算手段預測細胞互作成為可能，然而大量的預測方法準確性如何并沒有評估標準。

本文由來自同濟大學的王晨飛課題組構建了一個綜合的流程以評估CCI預測方法結果的準確性。首先基于配體-受體互作數(shù)據(jù)庫和空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)定義了已知配體-受體相互作用的空間距離傾向性，然后基于這種距離傾向性構建了一個綜合的流程來評估CCI預測方法，本文共評估了15種常用的CCI預測方法，并利用配對的scRNA和ST數(shù)據(jù)將計算的CCI空間距離傾向性和期望的傾向性進行量化，來評估預測結果是否符合實際的空間分布，通過比較CellChat，ICELLNET，SingleCellSignalR，NicheNet，CellPhoneDB平均排名位于前列，展現(xiàn)出了與期望空間距離傾向較好的一致性。文章還評估了不同方法結果的相似性，發(fā)現(xiàn)相似的算法更傾向于獲得更多共有的結果，所以共有結果不能用于衡量CCI預測的準確性，在項目執(zhí)行過程中應綜合考慮。

03

scRNA-seq&scATAC圖譜揭示效應、記憶和耗竭CD8 T細胞的共享和差異化生物學特征

Na?ve CD8 T細胞在急性感染或者疫苗接種過程中可以增殖分化為效應（Teff）和記憶（Tmem）CD8 T細胞，但在慢性感染、癌癥或自身免疫疾病發(fā)展過程中會分化為功能失調(diào)的耗竭（Tex）CD8 T細胞，其不同的分化途徑導致轉(zhuǎn)錄和表觀特征的變化，但人們對于Teff、Tmem和Tex細胞的分化發(fā)育途徑和異質(zhì)性程度，以及潛在的轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳調(diào)控機制仍知之甚少。

本研究基于LCMV病毒的急性和慢性感染模型，利用scRNA-seq和scATAC-seq技術縱向探究了不同分化時間點的Teff、Tmem和Tex細胞。首先鑒定了在Teff、Tmem和Tex細胞亞群中關鍵基因Tox，Pdcd1和Tcf7的不同染色質(zhì)可及性特征，然后對急性感染過程中的Teff和Tmem細胞的分化發(fā)育軌跡進行研究，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄水平和ATAC水平鑒定到的細胞類型并不完全相同，同時也基于鑒定的結果確定了急性感染中Teff、Tmem的分化是在d8天出現(xiàn)的，并且轉(zhuǎn)錄因子Zeb2-Zeb2是在急性感染模型中CD8 T細胞CTL和non-CTL細胞類群分支分化中起到重要作用，進一步更長時間的記憶細胞scRNA-seq結果表明，長壽記憶CD8 T細胞的效應功能在急性感染的早期就已被表觀遺傳特征所決定。在慢性感染模型早期發(fā)現(xiàn)了與急性感染不同的eff-like細胞類型，他們高表達耗竭相關基因，而在感染晚期，他們發(fā)現(xiàn)了一群以前未鑒定到的Tex細胞，命名為Exh-KLR細胞，高表達NK細胞相關基因，這群細胞與其他Tex細胞相比，具有更強的細胞毒性潛能，并且通過差異分析發(fā)現(xiàn)Exh-KLR細胞和急性感染中的CTL和Mem-CTL細胞有著不同的分化路徑，但是它們之間共享了表達NK細胞受體相關基因的轉(zhuǎn)錄程序，轉(zhuǎn)錄因子富集分析也發(fā)現(xiàn)Exh-KLR細胞和CTL細胞群中都有著較強的Zeb2基因活性，而有著很低的Zeb1基因活性，但這群細胞和CTL不同的是保留了很強的Tox基因活性。

總之這些表明了具有不同染色質(zhì)景觀的CD8 T細胞在不同分化發(fā)育途徑中可以使用共享的生物學特征，但同時也保留了其各自的分化途徑特有的分子特征。

04

篩狀前列腺癌的單細胞分析揭示了侵襲性疾病的細胞內(nèi)在通路和腫瘤微環(huán)境通路

前列腺癌是男性最常見的癌癥之一，也是因轉(zhuǎn)移性疾病進展而導致癌癥相關死亡的主要原因。前列腺根治術中篩狀形態(tài)檢測的男性患者更有可能出現(xiàn)生化復發(fā)、轉(zhuǎn)移性復發(fā)和前列腺癌特異性死亡。篩狀前列腺癌，見于浸潤性篩狀癌(ICC)和導管內(nèi)癌(IDC)，是一種侵襲性組織學亞型。ICC/IDC對相當一部分前列腺癌患者有所影響，這些患者也有較高的罹患致命前列腺癌的風險。

為了闡明ICC/IDC侵襲性的分子和細胞基礎，此研究通過單細胞RNA測序、TCR測序和組織學檢查7例成對的ICC/IDC和良性前列腺手術樣本。ICC/IDC癌細胞表達與轉(zhuǎn)移和靶點相關的基因，具有治療干預的潛力。通路分析和配體/受體狀態(tài)模擬了ICC/IDC與包括JAG1/NOTCH在內(nèi)的腫瘤微環(huán)境(TME)之間的相互作用。ICC/IDC TME的特征是血管生成和免疫抑制成纖維細胞(CTHRC1+ASPN+FAP+ENG+)增多，同時T細胞減少，T細胞功能障礙升高，C1QB+TREM2+APOE+- M2巨噬細胞增多。這些發(fā)現(xiàn)支持癌細胞內(nèi)在通路和復雜的免疫抑制TME有助于ICC/IDC的侵襲表型。這些數(shù)據(jù)強調(diào)了在ICC/IDC患者中恢復免疫信號通路的潛在治療機會，這種治療可能會有更好地效果。

05

單細胞及空間多組學分析揭示CAF在組織和物種中的保守性以及應對不同干預的動態(tài)平衡過程

癌癥相關成纖維細胞（CAF）是實體腫瘤微環(huán)境的組成部分，可促進腫瘤增殖，侵襲和轉(zhuǎn)移和比較差的預后，而CAF耗竭也可加速腫瘤，這種自相矛盾的現(xiàn)象使得我們要對其復雜性進行更深入的了解，進展單細胞研究已經(jīng)解析了不同CAF的表型。

本文則對同一細胞進行scRNA-seq+scATAC-seq結合空間轉(zhuǎn)錄和蛋白組進一步對CAF的亞型進行解析。首先對乳腺癌小鼠模型進行了單細胞分析定義了三個新的CAF亞型：類穩(wěn)態(tài)（SSL）、機械反應（MR）和免疫調(diào)節(jié)（IM）CAF，并且這三種亞型在不同組織的腫瘤中是保守的，接著使用ArchR's包進行了細胞多組學聯(lián)合，并繪制了不同CAF亞型的ATAC圖譜，然后基于空間轉(zhuǎn)錄組和CODEX技術進一步分析了內(nèi)源性小鼠乳腺腫瘤組織，并鑒定出MR、SSL和IM CAF亞型位于腫瘤的空間上不同的區(qū)域，然后利用成纖維細胞對機械轉(zhuǎn)導的特異性破壞導致SSL CAF增加和更具攻擊性，在有治療反應的患者中，暴露于免疫檢查點抑制會導致SSL CAF的減少和IM CAF的成比例增加。

這些數(shù)據(jù)表明三種亞型之間的動態(tài)平衡具有重要意義，識別腫瘤跨區(qū)域共享CAF子類型擴大了有效CAF靶向治療。