空間組學技術鑒定導管內乳頭狀粘液性腫瘤惡變過程的生物標志物
文章題目：Identification of spatially-resolved markers of malignant transformation in Intraductal Papillary Mucinous Neoplasms
中文題目：空間組學技術鑒定導管內乳頭狀粘液性腫瘤惡變過程的生物標志物
發(fā)表時間：2024.03.29
期刊名稱：Nature Communications
影響因子：16.661
實驗平臺：Visium空間轉錄組學、GeoMx DSP空間轉錄組學
DOI：10.1038/s41467-024-46994-2
01 研究背景
導管內乳頭狀粘液性腫瘤（IPMN）是一種位于胰腺導管內的，具有粘液分泌上皮的囊性病變。IPMN可發(fā)生于胰管的側支(BD-IPMN)、主管(MD-IPMN)或兩者兼有(混合型IPMN),被認為是胰腺導管腺癌(PDAC)的前體病變。MD-IPMN比BD-IPMN具有更高的惡變風險,后者在大多數(shù)情況下是一種惰性疾病。目前，IPMN的診斷主要基于影像學和臨床特征,缺乏生物學特性的分子標志物,從而導致患者風險分級的準確性不夠，而導致治療方案欠佳。因此,深入了解IPMN的生物學特性和惡性潛能,對于改善預后判斷和個體化治療至關重要。已有研究提出了一些IPMN惡性轉化的候選標志物,但將其轉化為臨床應用的嘗試還不理想，這可能是由于病理復雜性、囊腫異質性以及技術手段的局限性導致的。因此，運用最新的組學技術和高分辨率成像手段,在患者樣本中鑒定驅動IPMN向PDAC進展的關鍵標志物,將為優(yōu)化IPMN患者的風險評估和治療提供新的思路。
02 技術路線
03 研究結果
1. Visium空間轉錄組數(shù)據(jù)分析結果
使用Seurat對Visium數(shù)據(jù)進行分析,通過Leiden算法確定了23個空間亞群(Fig. 2A)，且與組織學特征相關(Fig. 2B),其中5個亞群精確定義了不同級別的IPMN:低級別(LGD和交界性)和高級別(HGD胃型、HGD腸型和HGD胰膽型)。盡管LGD和交界性IPMN都有RNF43突變,但它們表現(xiàn)出不同的轉錄組特征。17個亞群包括不同類型的正常和腫瘤相關基質。所有IPMN均表現(xiàn)出Moffitt經典型、Bailey胰腺前體細胞和Collisson經典型分子亞型特征,以及Moffitt活化基質特征 (Fig. 2C)。
Fig. 2 | Visium空間特征和聚類
2. IPMN亞群鑒定出與級別相關的轉錄因子
差異分析確定了每個IPMN亞群的特異性基因表達特征(Fig. 3A, B)。值得注意的是,6個轉錄因子與不同級別的IPMN亞群相關:HOXB3和ZNF117(LGD IPMN)、SPDEF、NR4A1和NR4A2(交界性IPMN)、NKX6-2(HGD胃型IPMN)。HGD胰膽型IPMN的標志物與HGD胃型和腸型IPMN重疊。
Fig. 3 | IPMN亞群標志物特征
3. 癌癥關鍵通路和細胞類型特征
GSEA分析確定了IPMN惡性轉化過程中激活的關鍵通路。與LGD IPMN相比,HGD胃型(Fig. 4)和腸型IPMN (Fig. S10)中TNFα所在的NFKβ信號通路(Fig. 4D)、MYC靶點(Fig. 4E)、上皮間質轉化(Fig. 4F)和KRAS信號通路(Fig. 4G)顯著激活。此外,HGD胃型表達胃峽部細胞標志物(Fig. 5),如NKX6-2。HGD腸型表達腸道杯狀細胞標志物(Fig. S10)。
Fig. 4 | HGD胃型與LGD IPMN比較的GSEA結果
4. DSP空間轉錄組數(shù)據(jù)分析
為了驗證Visium的結果，研究人員使用DSP技術對獨立的40例患者的57個IPMN樣本進行分析，也發(fā)現(xiàn)到特定轉錄因子與IPMN級別之間的關聯(lián):ZNF117(LGD和交界性IPMN)、SPDEF(交界性IPMN)、NKX6-2(HGD胃型IPMN)(Fig. 6B)。GSEA分析顯示,TNFα信號通路和MYC激活是HGD胃型(Fig. 6C)、交界性和腸型IPMN (Fig. S18)的主要致癌特征。此外,驗證隊列中也觀察到了特異性細胞類型特征:HGD胃型表達胃峽部細胞特征、交界性表達胃頸部細胞特征、HGD腸型表達十二指腸杯狀細胞特征(Fig. 6D, E)。
Fig. 6 | DSP空間轉錄組分析結果
5. NKX6-2表達與進展為高級別胃型IPMN相關
使用stLearn對Visium數(shù)據(jù)進行空間軌跡分析,以探究低級別交界性IPMN向HGD惡性高風險胃型IPMN的空間演變軌跡。結果顯示,交界性IPMN內的局部亞群與HGD胃型IPMN具有共同的進化軌跡(Fig. 7C, D)。過渡性的標志物都是胃型特異性的,包括PSCA、VSIG1,尤其是轉錄因子NKX6-2,表明其可能是IPMN向胃型分化的標志物。擬時間分析(Fig. 7G)進一步證實,先前確定的特異性轉錄因子標志物與從低級別到高級別胃型IPMN的演變具有顯著相關性(Fig. 7H)。
Fig. 7 | stLearn聚類和胃型IPMN的空間軌跡
04 主要結論
該研究利用Visium和DSP空間轉錄組學技術,對不同級別和亞型的IPMN樣本進行了高分辨率的轉錄組檢測,發(fā)現(xiàn)了與IPMN惡性進展相關的關鍵轉錄調控因子(低級別:HOXB3和ZNF117;交界性:SPDEF;高級別胃型:NKX6-2)、信號通路(TNFα/NFKβ、MYC、EMT和KRAS)和細胞類型特征(胃型:胃峽部細胞;腸型:腸道杯狀細胞)。此外,空間軌跡分析揭示了交界性IPMN向高級別胃型IPMN演變的進化軌跡,提示NKX6-2可能是驅動IPMN向胃型分化和進展的關鍵因子。這些發(fā)現(xiàn)通過多重免疫熒光在獨立隊列中得到驗證,為開發(fā)基于空間特異性標志物的IPMN分子分型和指導患者個體化治療決策提供了重要線索。
