专家点评Nature| 印明柱教授首次构建泛癌种脉管系统全息细胞图谱研究

2024年9月7日，比利时鲁汶大学肿瘤学家Gabriele Bergers于《Cancer Research》发表题为“The Pan-tumor Vasculature Under the Transcriptomic Magnifying class”的亮点点评，系统地评述了近日重庆大学附属三峡医院印明柱教授团队发表于Nature的研究论文。

血管和淋巴管组成的脉管系统是全身器官组成不可或缺的部分，从血管系统中营养物质和氧气的运输，到淋巴管系统在维持体液平衡都离不开脉管系统的重要功能。这两种血管系统的关键角色都是内皮细胞（EC）和壁细胞（即周细胞和平滑肌细胞），前者构成了血管壁的内层，后者则包覆着不同类型的血管。血管细胞身兼数职，除了器官特异性之外，还在调节血流、贩运激素和白细胞、介导炎症和止血反应等方面发挥作用。当细胞在器官中发生恶性转化时，肿瘤细胞通常会首先侵占脉管系统，而脉管系统在缺氧的情况下会根据肿瘤的需要开始生长和扩散，这被描述为癌症的一个明显标志。然而，肿瘤血管因其混乱的组合和较差的包膜覆盖而变得异常和反常，导致血管过度扩张、渗漏和血流不畅。

血管生成是一个多步骤的复杂过程，血管内皮细胞采用两种不同的细胞表型（即尖端细胞和茎细胞）。移行的尖端细胞在血管萌芽的最前端，尾随增殖的茎细胞拉长萌芽并形成萌芽腔。血管内皮生长因子（VEGF）和Notch信号之间错综复杂的相互作用平衡着尖端细胞和茎细胞的形成，并调节着尖端细胞的定向迁移和增殖。因此，抗血管生成疗法（AAT）在临床上得到了广泛应用，其主要形式是 VEGF/VEGFR 抑制剂，可抑制新生血管生成和血管内皮细胞存活；但这些疗法的疗效有限，部分原因是血管内皮细胞的异质性和肿瘤的适应性。最近，单细胞转录组学技术（scRNA-seq）进一步证实了这一点。事实证明，单细胞转录组分析是揭示这种复杂性的有力工具，它能高分辨率地描述肿瘤血管的细胞异质性，并通过计算技术预测细胞状态的动态变化（通过轨迹推断）以及血管细胞和其他细胞之间的相互作用。虽然第一个全面的小鼠和人类内皮细胞图谱描述了来自不同器官的多个亚群，内皮细胞的异质性由器官和血管床决定，但类似的共同努力尚未应用于肿瘤血管。事实上，对肿瘤血管内皮细胞的单细胞分析通常具有肿瘤类型的特异性；尽管如此，还是观察到了肿瘤类型中的三大集群，包括 “血管生成”尖端细胞、免疫调节内皮细胞和 细胞外基质（ECM）重塑内皮细胞。然而，由于血管细胞在肿瘤微环境（TME）中的比例相对较小，scRNA-seq研究对不同内皮细胞表型的描述能力不足。另外一个挑战是如何整合多个数据集，而测序方式和样本采集方法的批次效应以及血管细胞的器官向性使问题变得更加复杂。

2024年9月12日，重庆大学附属三峡医院印明柱课题组，在Nature杂志在线发表了题为Tumor vasculature at single-cell resolution的研究论文。该研究生成了肿瘤血管微环境（TVM）的泛癌图谱，其中包括来自公开和内部数据集的近 20 万个内皮和壁细胞的scRNA-seq数据，涵盖了肿瘤和邻近的非肿瘤样本。他们的研究首次对 TVM进行了肿瘤诊断性联合分析，分析的粒度足以为血管和淋巴 ECs（VECs 和 LECs）分配可再现的集群、亚集群和过渡状态，并为周细胞（PC）亚型分配新的基因表达谱。最值得称赞的是，作者注意避免批次效应和器官特异性偏差，对每个数据集进行了严格的质量控制，校正了样本间的技术差异和混杂因素，并检测衍生亚聚类内的过度代表性，以排除癌症类型特异性细胞亚型。

该研究产生的数据提供了丰富的转录组信息，通过计算定义的细胞状态、轨迹推断和配体-受体配对，不仅证实了先前验证的实验结果，同时也提供了令人兴奋的新假设，以便在未来加以验证。他们利用几种跨模态算法，模拟了血管内皮在萌芽血管生成过程中的分化方向性，并在毛细血管内皮中定义了三个新的血管生成阶段，横跨顶端细胞和茎细胞。在斑马鱼异种移植模型中，实验证实了肿瘤诱导的新生血管生成始于静脉血管内皮细胞，随后“去分化”并过渡到毛细血管内皮细胞，最后以动脉血管内皮细胞结束。通过研究毛细血管内皮细胞的状态转变，作者将血管生成过程分为：血管生成起始状态 SI，与缺氧反应、伤口愈合和 ECM 重塑以及大量APLN⁺尖端细胞有关；过渡状态SII，与缺氧反应逐渐减弱有关；稳定血管生成状态 SIII，其特征是茎细胞增殖和Notch 介导的顶端到茎表型转换。

对公开和内部数据的临床分析表明，APLN⁺ 尖端细胞是癌症进展的潜在调节因子，其浸润增加预示着多种癌症类型的较差预后。有趣的是，AAT（即贝伐珠单抗）诱导的APLN+ 尖端细胞丰度较低，但对 AAT 有反应者的这些细胞浸润较高。这些观察结果，再加上APLN+ 尖端细胞在相邻的非肿瘤组织中几乎检测不到，表明这些细胞在介导肿瘤诱导的血管生成中起着关键作用。与这些观察结果一致的是，Apelin作为 G 蛋白偶联受体 Aplnr的激动剂，已被证明富集于血管尖端细胞中，抑制它可抑制血管生成。虽然只是间接证据，但该研究似乎已经确定了假定的 AAT 靶向内皮细胞亚型的转录特征，这一观察结果可为将来的转化工作提供重要指导。

图1 – 泛肿瘤血管图谱归纳

通讯作者简介

Gabriele Bergers博士自2016年以来一直是鲁汶大学肿瘤学教授，同时担任鲁汶VIB癌症生物学中心的课题组组长。她还在加州大学旧金山分校（UCSF）的海伦·迪勒家族综合癌症中心担任神经外科教授，并在脑肿瘤研究中心（BTRC）担任首席研究员，长达19年。她在研究肿瘤细胞、血管系统以及炎症细胞组分之间的相互作用方面取得了开创性的发现，这些研究揭示了在小鼠脑、乳腺和胰腺癌模型中的新血管生成和侵袭机制，并揭示和理解了肿瘤对抗血管生成疗法的内在和逃逸性耐药机制。

Bergers博士因其研究成果获得了多个奖项，包括Sidney Kimmel, Sandler Opportunity, UCSF Breakthrough Biomedical Research与Judah Folkman award.。她曾担任多所大学和制药公司的外部顾问委员会成员，目前是《Science》期刊的编辑委员会成员。自2006年以来，她一直在NIH肿瘤微环境研究小组任职，并于2010至2012年间担任主席。她目前也是多家资助机构的评审委员会成员，包括CPRIT、ERC、AIRC和CRUK。Bergers博士还曾担任UCSF肿瘤微环境脑肿瘤中心的联合主任，并曾是德国明斯特马克斯·普朗克生物医学研究所（重点研究血管生物学）的外部顾问委员会成员。