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口腔鱗狀細胞癌起始過程中癌前病變的單細胞和空間解析
背景
人類惡性腫瘤中約有90%都是實體瘤，其是一個復雜的多階段過程，據(jù)報道癌癥發(fā)生之前就會出現(xiàn)有助于癌癥發(fā)生的癌前病變[1]。早在2002年發(fā)表在CA-A CANCER JOURNAL FOR CLINICIANS（IF:286.130）雜志上的一篇文章就已經(jīng)報道口腔癌是全球公共衛(wèi)生的主要威脅，其發(fā)病率和死亡率在近幾十年里都沒有顯著改善，且口腔癌中90%是鱗狀細胞癌（OSCC），該研究也指出癌前病變的研究對口腔癌的早期發(fā)現(xiàn)至關重要[2]。口腔白斑(Oral leukoplakia, OLK)是口腔癌中最常見的癌前病變之一，約有20%的患者最終發(fā)生癌變。因此，在癌前病變區(qū)域研究OSCC的起始是可能的，不過目前關于OSCC癌前階段整體細胞景觀和空間組織的研究很少。
單細胞RNA測序(scRNA-seq)有助于分析細胞亞群，并探索與疾病發(fā)生或治療相關的特定特征和因素，此外空間轉錄組學(ST)的最新進展也使得同時獲取空間組織信息和轉錄組數(shù)據(jù)，從而對特定組織或疾病發(fā)展過程中的基因表達進行全面的時空分析成為可能。今年3月剛剛發(fā)表在Cell Discovery(IF:30.079)雜志上的文章Single-cell and spatial dissection of precancerous lesions underlying the initiation process of oral squamous cell carcinoma就結合了scRNA-seq和ST兩種技術，對OSCC發(fā)生相關的細胞群體和轉錄特征進行了全面的研究。研究識別出了上皮細胞中與OSCC發(fā)生相關的基因異常表達，并識別出不同的成纖維細胞、單核細胞和調(diào)節(jié)性T細胞亞群。此外研究也發(fā)現(xiàn)這些細胞亞群都會參與微環(huán)境的重塑。研究也在癌前病變周圍觀察到一種獨特的免疫抑制性單核細胞亞群，以及VEGF信號通路的空間轉換調(diào)控會促進癌癥發(fā)生。
方案旨在分析口腔癌不同組織的單細胞轉錄及空間轉錄組數(shù)據(jù)，揭示口腔鱗狀細胞癌起始相關的基因表達、功能富集、微環(huán)境組成及通訊特征，進而為研究OSCC的發(fā)生和潛在的干預策略提供參考。
概述
1. 基于scRNA-seq和ST數(shù)據(jù)刻畫早期OSCC不同區(qū)域的細胞組成
2. 識別上皮細胞中參與OSCC起始過程的標志物
3. 刻畫OSCC起始相關的成纖維細胞
4. 分析微環(huán)境中細胞的相互作用與OSCC起始的關聯(lián)
5. 分析參與OSCC發(fā)病過程的細胞亞群
6. OSCC起始相關信號通路的空間轉錄分析
7. 分析驗證免疫亞群在OSCC發(fā)病中的臨床相關性
數(shù)據(jù)來源
技術路線
1. 基于scRNA-seq和ST數(shù)據(jù)刻畫早期OSCC不同區(qū)域的細胞組成
使用scRNA-seq及ST數(shù)據(jù)對細胞進行聚類及評分，并根據(jù)標記基因進行細胞類型注釋。從而揭示早期OSCC (T)、口腔白斑(DN)及正常區(qū)域(N)的細胞組成。
2. 識別上皮細胞中參與OSCC起始過程的標志物
使用單細胞數(shù)據(jù)對上皮細胞進行了重聚類，并基于拷貝數(shù)變異推斷惡性細胞和非惡性細胞。同時刻畫不同階段細胞亞群的基因表達及通路富集。識別出OSCC起始過程中逐漸上調(diào)的基因，并通過ST數(shù)據(jù)及實驗證實。
3. 刻畫OSCC起始相關的成纖維細胞
使用scRNA-seq數(shù)據(jù)對成纖維細胞進行重聚類，結合ST數(shù)據(jù)觀察各個細胞亞群的基因表達與富集的功能，從而分析其與OSCC起始的關聯(lián)。
4. 分析微環(huán)境中細胞的相互作用與OSCC起始的關聯(lián)
首先使用ST數(shù)據(jù)分析免疫細胞的分布，接著使用scRNA-seq數(shù)據(jù)刻畫各個亞群的表達特征，細胞比例及功能。接著分析了各類細胞之間的相互作用。
5. 分析參與OSCC發(fā)病過程的細胞亞群
使用scRNA-seq及ST數(shù)據(jù)分析從DN到T階段細胞亞群的比例、表達、功能富集及通路。
6. OSCC起始相關信號通路的空間轉錄分析
使用空間轉錄數(shù)據(jù)對經(jīng)典癌癥通路進行分析，包括相關細胞互作、基因表達分析。
7. 分析驗證免疫亞群在OSCC發(fā)病中的臨床相關性
分析不同類型樣本微環(huán)境中的細胞組成，浸潤水平，及信號通路強度，并通過小鼠模型研究抗TGFβ和抗PD-1抗體對OSCC起始的干預作用。
參考文獻
1. The translational challenges of precision oncology.
2. Oral cancer and precancerous lesions.
