单细胞空间宏基因组揭秘微生物群对癌症空间和细胞异质性的作用

作者，Evil Genius

新的一周，主要这周开始世界杯开赛了，看比赛的时间多了一点，个人喜欢德国队，不知道大家对世界杯有没有兴趣。

今天的文章我们来分享一点新的内容。文章在Effect of the intratumoral microbiota on spatial and cellular heterogeneity in cancer

导读：肿瘤相关菌群是人类癌症类型肿瘤微环境的固有组成部分。迄今为止，肿瘤内宿主-微生物群的研究主要依赖于bulk组织分析，模糊了肿瘤内微生物群的空间分布和局部效应。最近，有研究团队使用原位空间谱分析技术和单细胞RNA测序，揭示了宿主-微生物在空间、细胞和分子上的相互作用。

技术：
10x Visium spatial transcriptomics
GeoMx digital spatial profiling
single-cell RNA-sequencing method

主要发现：

• 与细菌阴性的肿瘤区域相比，细菌群落在血管化程度较低、免疫抑制程度较高的微孔中生长，并与Ki-67水平较低的恶性细胞相关。
• identify cell-associated bacteria and the host cells with which they interact, as well as uncovering alterations in transcriptional pathways that are involved in inflammation, metastasis, cell dormancy and DNA repair.
• 被细菌感染的癌细胞以单细胞的形式侵入周围环境，并将髓细胞招募到细菌区
• 肿瘤内的微生物并不是随机分布，而是高度组织化，具有促进癌症进展的免疫和上皮细胞功能。

文章研究背景

在癌症患者的肿瘤中，恶性细胞被复杂的非恶性细胞网络所包围，非恶性细胞网络根据其细胞类型和丰度，可能具有促肿瘤或抗肿瘤作用。体外和临床前动物模型表明，肿瘤相关菌群中的细菌在癌症发展、转移、免疫监视和化疗耐药中起作用。此外，33种主要癌症的肿瘤内微生物群中的分子证据，以及显示泛细菌标志物与免疫和上皮细胞靶标共定位的成像数据，都表明了肿瘤内微生物群有大量存在于癌细胞内的“胞内菌”。

然而，这些细胞相关微生物的确切身份和它们在患者肿瘤中相互作用的特定宿主细胞类型尚未完全揭示。此外，肿瘤内微生物群的空间分布和特定的宿主-微生物细胞相互作用是否影响肿瘤微环境 (TME) 内不同的功能能力在很大程度上也是未知的。

结果1：肿瘤内微生物群驱动肿瘤的异质性

在Nature的研究中，研究人员对11例结直肠癌（CRC）患者肿瘤的44块组织进行了16S rRNA基因测序。其中，有4例患者具有相对稳定的微生物组组成，剩下大多数患者在瘤内微生物组中表现出不同程度的异质性。

整个肿瘤组织中肿瘤内细菌组成

为了获得微生物的空间分布情况，借助10X visium技术，捕获空间的转录组信息与微生物信息，原理示意图如下：

空间捕获转录组和微生物信息

由此可以获得肿瘤组织空间微生物分布信息：

肿瘤组织的空间微生物分布

通过将这种空间转录组学方法应用到肿瘤内微生物群中，能够直接识别、量化并在空间上绘制患者组织学完整的肿瘤组织中的微生物。捕获spot内分离属和几个不同属的共定位群落的检测突出了这些肿瘤组织内微生物群相互作用的复杂性。

肿瘤内微生物的生态位

鉴于肿瘤内菌群在单个肿瘤组织中具有异质性分布，试图确定这种空间分布是否与TME内的不同功能相关（DSP技术）。

微生物分布的生态微环境

分析表明，与紧邻的细菌阴性区域相比，组织中细菌阳性区域的CD11b和CD66b髓系细胞显著增加，CD4和CD8 T细胞密度较低，这表明肿瘤相关菌群的作用是高度局部性的。

微生物驱动的单细胞异质性

在TME的个体宿主细胞中存在细菌的报道涵盖了一系列人类癌症类型。然而，对入侵细菌的身份、它们与宿主细胞的相互作用以及这些宿主细菌的关联如何影响TME内的细胞功能知之甚少。通过研究单细胞微生物（INVADEseq）的测序分析结果，在患者肿瘤中识别细胞相关细菌和与它们相互作用的宿主细胞，并发现了与炎症、转移、细胞休眠和DNA修复有关的转录通路的改变。总之，肿瘤内微生物群的细胞相关成员在免疫和上皮细胞群的单细胞水平上驱动了患者肿瘤的异质性。此外，通过功能研究，研究人员发现，侵入性细菌负责招募髓细胞，通过JAK-STAT信号诱导炎症反应，向周围环境分泌特定的白细胞介素和趋化因子，促进了T细胞排斥和肿瘤生长。

单细胞捕获微生物信息

微生物对宿主细胞的效应

Bacteria-induced migration of cancer cells

为了评估肿瘤内微生物群的显性组成与免疫或上皮癌细胞的直接相互作用，使用了还原共培养方法。通过研究主要菌群与细胞类型之间的相互作用，表明来自人类CRC的F. nucleatum能在细菌感染部位积极诱导骨髓细胞的招募，并促进CRC上皮细胞的转录变化，从而促进对周围环境的入侵，并可能赋予静止特性。

微生物介导肿瘤细胞迁移

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