2022-08-13

Nature Cancer | 肿瘤相关成纤维细胞的单细胞分析

原创 骄阳似我 图灵基因 2022-08-13 10:09 发表于浙江

收录于合集#前沿生物大数据分析

撰文：骄阳似我

IF：23.177 

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亮点：

肿瘤相关成纤维细胞（CAF）是实体瘤微环境中的核心角色，影响癌症进展和转移。CAF具有不同的表型、起源和功能，且由不同的亚群组成。本文讨论了单细胞技术对CAF亚群功能的分析与理解，阐述了它们的功能可塑性，以及它们的器官特异性特征，这些特征可能被用来设计更好的癌症治疗策略。

近期，在Nature Cancer杂志上发表了一篇名为“Cancer-associated fibroblasts in the single-cell era”的综述，考虑到最近对各种癌症类型的scRNA-seq研究，本文检查了当前对CAF异质性和功能的理解，描述了CAF亚群的共享和器官特异性特征，并讨论了未来研究的前景，特别是CAF作为急需治疗靶点宝库的潜在用途。

CAF是实体瘤中肿瘤微环境（TME）的核心组成部分。在某些癌症类型中，如乳腺癌和胰腺癌，CAF是最显著的基质细胞类型，其存在与较差的预后相关。CAF在表型、起源和功能上具有高度异质性。它们可以来源于由癌细胞衍生因子重新编程的常驻组织成纤维细胞，这些因子来自从骨髓招募到TME的间充质细胞，或来自脂肪细胞衍生的前体细胞、内皮细胞、间皮细胞或周细胞。这种异质性在成纤维细胞在肿瘤进展和转移中执行的大量任务中很明显，包括促进癌细胞生长、血管生成和细胞外基质（ECM）重塑。此外，CAF协调肿瘤促进炎症，并调节免疫微环境以实现免疫抑制。这些功能是通过与癌细胞、基质成分和浸润性免疫细胞的复杂相互信号相互作用介导的。在某些癌症类型中，如胰腺导管腺癌（PDAC），CAF也被认为具有肿瘤抑制功能。图1：主要CAF亚群及其潜在起源。

CAF功能、起源和标记的多样性导致了CAF由多个仅部分重叠的亚群组成的概念。例如，对进行性胰腺癌的小鼠模型和原位4T1乳腺癌模型的研究显示，各种成纤维细胞标记物之间的重叠有限，表明存在独特的亚群。使用免疫染色、原位杂交、流式细胞术和荧光激活细胞分类的CAF亚群和mRNA微阵列对人类癌症和小鼠模型进行分析，证实存在独特的CAF亚群。虽然这些研究提供了有关CAF多样性的关键初始信息，但单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术的出现彻底改变了CAF领域，并揭示了额外的复杂性。图2：通过不同实验系统实现的离散CAF亚群的识别。

通过单细胞技术对CAF亚群进行分类

尽管之前已经认识到CAF的异质性，但在发展scRNA-seq技术之前，以无偏的方式剖析其复杂性和可塑性是不可行的。虽然这种方法在十多年前被描述，但直到最近才被用于探索CAF异质性。与所有科学工具类似，scRNA-seq具有优势和劣势，这在很大程度上取决于所选择的技术。两个限制是空间信息的丢失和由于难以将某些细胞类型（例如，成纤维细胞）从组织中分离出来。尽管如此，scRNA-seq对扩展CAF生物多样性的知识做出了重大贡献。

ECM重塑/肌纤维母细胞性CAF

形成TME的关键因素之一是ECM，ECM是细胞外分子的复杂三维网络，形成支持组织的物理基质，并影响原发性肿瘤和转移瘤中基质的结构和功能。ECM重塑是一个受严格调控的生理过程（例如，在发育和伤口愈合过程中）。然而肿瘤利用这一过程来创造一个支持性的微环境。CAF在ECM环境的沉积、修改和降解中起着核心作用。CAF引起的细胞外基质重塑失调可导致促结缔组织增生反应，与乳腺癌、胰腺癌和肺癌的不良预后相关。

组织和稳定基质缺失通常被认为是这些肿瘤的一个特征，导致人们致力于开发针对肿瘤细胞外基质的治疗方法。甚至在可以用RNA-seq对其进行表征之前，就已经知道CAF与肌成纤维细胞相关，因为它们在活化状态下获得特殊的收缩特征（通过α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）的表达升高来确定），类似于伤口愈合过程中成纤维细胞的表型。本文讨论了由scRNA-seq研究确定的CAF亚群，即多器官中的ECM重塑/肌纤维母细胞性CAF。一些研究将ECM重塑和伤口愈合相关特征归类为不同的CAF功能状态。然而，其他研究表明，相同的成纤维细胞亚群高度富集ECM相关基因和收缩蛋白，是伤口愈合成纤维细胞的典型基因（图3a）。

促炎和免疫调节CAF

在正常稳态条件下，常驻组织成纤维细胞在维持组织完整性方面发挥重要作用。成纤维细胞可以感知机械变化和组织损伤信号，并通过协调组织修复（ECM合成和重塑介导），但也通过调节免疫细胞反应作出反应。这种免疫细胞活动的协调似乎是器官和环境依赖性的，并在肿瘤中被增选。十多年前，人们首次提出成纤维细胞作为肿瘤促进炎症的中枢介质的作用。CAF促进癌症生长，通过调节TME中的免疫环境，实现免疫逃逸和转移传播。这是通过分泌细胞因子和趋化因子、募集抑制性髓系和调节性T细胞（Treg细胞）、抑制和排除细胞毒性淋巴细胞和树突状细胞以及分别促进巨噬细胞和T细胞的M2和2型辅助性T（TH2）细胞极化来实现的（图3b）。

抗原呈递CAF

刺激T细胞活化的能力与称为抗原呈递细胞（APC）的MHC II类表达细胞相关。经典或专业的APC是树突状细胞、巨噬细胞和B细胞。然而，最近研究发现了表达MHC II类分子的其他细胞类型，因此可能具有抗原呈递能力。这些非典型APC包括肥大细胞、粒细胞、内皮细胞、上皮细胞和淋巴结基质细胞。这些细胞是否能提供完全激活幼稚T细胞所需的三种信号，即抗原呈递、共刺激和调节性细胞因子，目前尚不清楚。TME中不同APC类型的鉴定和表征（图3c）可改善癌症治疗的免疫治疗策略。图3：SCRNA-SEQ揭示了由离散CAI亚型执行的多个任务。

治疗方法和未来展望

要绘制人类癌症中CAF亚群的完整图景，仍需开展大量工作。需要更好地了解CAF的可塑性、起源和相互作用，尤其是在胰腺和乳腺以外的癌症中。然而，随着大量数据的积累，该领域已经准备好将这些新兴的CAF图谱转化为治疗靶点。基于本文详述的见解，考虑到间充质肿瘤支持环境的可塑性和异质性，靶向特定的信号分子和途径，而不是特定的CAF亚型或来源细胞，可能是更可行的治疗策略。例如，在PDAC中，TGF-β驱动的LRRC15+CAF与抗PD-L1治疗的不良反应相关。通过联合抗TGF-α治疗和抗PD-1和/或抗PD-L2治疗来恢复LRRC15+表型可能具有有益和相加效应。这些治疗被证明可以逆转乳腺癌中CAF的基质重塑转录谱。然而，特定CAF人群（如MYCAF）中普遍存在的一种途径的逆转可能会促进不同CAF亚型的优势，从而阻碍治疗。

事实上，抑制Hedgehog信号被证明会损害myCAF活性和肿瘤生长，同时促进炎性CAF积累和免疫抑制性TME。然而，最近的研究结果表明，一些可能作为稳定治疗靶点的CAF谱系的可塑性有限，如CD105+胰腺CAF和胰腺星状细胞衍生的CAF，可以通过α-SMA和激酶TIE1的组合来识别。跨肿瘤类型的炎性CAF的一个共同特征是IL-6–IL-6R信号的上调。抗IL-6疗法，如西妥昔单抗和托昔单抗，预计将针对这些CAF。鉴于免疫调节性CAF也可以驱动癌细胞中的JAK-STAT信号，抑制JAK-STAT信号可能被证明是联合治疗方法的一个有前途的分支。

另一种有趣的治疗方法是靶向CAF衍生的ECM修饰。免疫疗法对免疫细胞不能渗入的高度间质瘤的疗效有限。通过调节CAF活性使ECM正常化可能有助于限制肿瘤生长并增强对免疫治疗的反应。在未来几年中，对CAF可塑性和复杂性的深入理解将揭示更多的治疗选择，指导新的CAF靶向策略制定更好的癌症治疗方案。图4：潜在CAF靶向的示例。

教授介绍：

Ruth Scherz-shouval

Ruth Scherz-Shouval 博士于 2002 年在耶路撒冷希伯来大学以优异的成绩获得生命科学学士学位，并于 2008 年在魏茨曼科学研究所获得生物化学博士学位。她在魏茨曼研究所 Moshe Oren 教授的实验室和麻省理工学院（MIT）怀特黑德生物医学研究所的 Susan Lindquist 实验室进行博士后研究，并于 2015年10月加入魏茨曼研究所。 Ernst和 Kaethe Ascher生命科学职业发展的现任主席。

Scherz-Shouval 博士对癌细胞如何招募和破坏正常细胞以创造促进肿瘤进展和转移的环境感兴趣。她研究了细胞进化出的保护途径，以促进它们在压力条件下的生存。癌症利用了其中一些防御机制，例如热休克反应。在她最近的工作中，她发现热休克因子 1 (HSF1) 是进化上保守的热休克反应的主要调节因子，在肿瘤微环境中起着至关重要的作用。她展示了 HSF1 如何在肿瘤微环境中重新编程成纤维细胞以支持恶性肿瘤。

参考文献：

Lavie, D., Ben-Shmuel, A., Erez, N.et al.Cancer-associated fibroblasts in the single-cell era.Nat Cancer3, 793–807 (2022).