npj precis. oncol. (IF=8)｜單細胞與空間轉錄組學整合解析：前庭神經鞘瘤的細胞異質性與空間生態位特征

英文標題：Integrating single-cell and spatial transcriptomics reveals the cellular heterogeneity of vestibular schwannoma

中文標題：整合單細胞與空間轉錄組學揭示前庭神經鞘瘤的細胞異質性

發表期刊：npj precision oncology

影響因子：8

研究背景

前庭神經鞘瘤(Vestibular Schwannoma, VS)是一種起源于前庭耳蝸神經鞘施萬細胞的良性腫瘤，可導致顯著的神經和聽覺并發癥，但其發展機制和空間異質性仍知之甚少。作為常見的顱內占位性病變，VS占所有顱內腫瘤的7%–12%，占橋小腦角腫瘤的80%–95%，現有治療策略存在局限性，深入探究其發病的分子驅動機制對改善臨床結局至關重要。單細胞RNA測序技術雖已揭示VS中施萬細胞的異質性及基質細胞的作用，但缺乏空間定位信息，而空間轉錄組學可提供基因表達的空間分布，為此本研究整合兩種技術以解析VS的細胞異質性。

技術路線

研究結果

1、單細胞圖譜揭示了人類前庭神經鞘瘤組中的主要細胞類型

研究人員整合了三個前庭神經鞘瘤(VS)腫瘤組織的單細胞RNA測序(scRNA-seq)數據（圖1a），通過無監督聚類分析鑒定出八個主要細胞群，并依據已發表研究的典型譜系特異性標志物進行注釋，分別為：施萬細胞(SOX2、PMP2、S100B)、巨噬細胞(PTPRC、CD68、CD74)、T細胞(CCL5、TRBC2、CD3E)、中性粒細胞(S100A9、S100A8)、肥大細胞(TPSB2、CPA3、MS4A2)、成纖維細胞(DCN、LUM、CYP1B1)、血管平滑肌細胞(RGS5、ACTA2、TAGLN)和內皮細胞(PLVAP、VWF、FLT1)。研究還系統整理了跨細胞譜系的亞群特異性標志物參考面板（圖1d），為深入探究VS的異質性奠定了基礎。

圖1. 前庭神經鞘瘤的單細胞轉錄組分析

2、前庭神經鞘瘤中的差異基因表達及施萬細胞亞群動態

施萬細胞是VS中主要的腫瘤細胞群，且在腫瘤發生過程中經歷動態轉錄重塑，研究人員對VS腫瘤中的施萬細胞亞群進行了分析。通過聚類，在單細胞RNA測序數據中識別出5種亞群：NOVhi SC、JUNB+SC、PMP2+SC、VEGFA+SC和PRX+SC。結合基因本體(GO)富集分析發現：JUNB+SC在發育調節通路（如神經膠質生成、髓系分化、神經系統發育）中顯著富集（圖2a-b）；NOVhi SC與軸突形態發生和突觸組織相關（圖2c-d）；PRX+SC主要參與能量代謝（如核糖磷酸代謝過程、有氧呼吸）和細胞骨架組織（如肌動蛋白絲組織）（圖2e-f）；PMP2+SC富集于翻譯機制相關通路（如細胞質翻譯、核糖核蛋白復合體生物發生）（圖2g-h）；此外，VEGFA+SC作為關鍵的基質相互作用細胞，表現出血管生成（如細胞外基質組織、傷口愈合）、增殖（如上皮細胞增殖）及蛋白酶調節相關特征（圖2i-j）。

圖2. 基于單細胞RNA測序的前庭神經鞘瘤中五種施萬細胞亞群的GO分析

3、空間轉錄組學結合單細胞RNA測序揭示了前庭神經鞘瘤樣本的區域化特征

對兩個VS標本的空間轉錄組學分析顯示：VS_S1標本共鑒定出2294個高質量空間位點，中位測序深度為每個位點224,536條讀段（圖1a）。HE染色結果顯示，VS_S1標本主要表現為Antoni-A型組織病理模式（圖3a），空間反卷積分析驗證了這一特征，表現為巨噬細胞、成纖維細胞、血管平滑肌細胞(VSMCs)、內皮細胞、T細胞、中性粒細胞和肥大細胞的豐度評分相對較低。

為分析細胞群落的空間依賴性，研究人員評估了三個空間尺度（位點內約55μm、近端視野約200μm、遠端視野約3000μm）下，細胞鄰域背景（以相鄰區域細胞類型組成為特征）對位點水平主要細胞類型豐度的預測能力。結果顯示：內皮細胞對血管平滑肌細胞(VSMCs)豐度的預測能力較強，反映了血管相關細胞類型間的功能關聯性；施萬細胞對成纖維細胞、巨噬細胞、肥大細胞、中性粒細胞和T細胞的豐度預測能力最高；且成纖維細胞與施萬細胞存在顯著共定位關系（表明兩者存在明顯細胞依賴性），巨噬細胞與成纖維細胞也呈顯著相關性（與成纖維細胞介導的巨噬細胞趨化機制一致）。這些結果凸顯了血管相關細胞類型與施萬細胞在前庭神經鞘瘤發病機制中的生物學意義（圖3e）。

VS_S2標本共鑒定出2799個高質量位點，中位測序深度為每個位點179,011條讀數。HE染色顯示，該樣本同時存在Antoni-A型和Antoni-B型結構模式（圖4a），空間反卷積分析驗證了這一病理特征（圖4d）。與VS_S1一致，VS_S2維持了顯著的淋巴-髓系相互作用網絡，保留了保守的免疫細胞相互作用及炎癥微環境特征（圖4d-e）。

圖3. 空間轉錄組學揭示了VS_S1的轉錄結構

圖4. 空間轉錄組學揭示了VS_S2的轉錄結構

4、空間生態型表征揭示了前庭神經鞘瘤中的多細胞功能生態位

為識別VS組織中的多細胞群落及其空間分布模式，研究人員基于ISCHIA算法對空間轉錄組數據中的位點進行聚類分析。根據細胞類型組成的相似性，將空間位點區分為不同的“組成類(composition classes, CCs)”，并將其定義為“空間生態型(spatial ecotypes)”。結合功能富集分析，共鑒定出5種主要的空間生態型(CC1-CC5)，每種生態型具有獨特的細胞組成和功能特征（圖5a-b）。

CC1廣泛分布于樣本中，且在不同生態型的邊界區域相對富集，主要富集軸突再生和神經保護相關的生物學過程；CC2和CC3主要由施萬細胞組成，在空間上與Antoni-A型區域一致，分別富集與血管系統發育、神經系統發育及功能連接相關的生物學過程；CC4和CC5與Antoni-B型區域的病理特征相符，分別富集組織發育/修復、屏障形成及炎癥調節相關的生物學過程。在樣本分布上，CC2和CC3在具有Antoni-A型結構的VS_S1樣本中占主導地位；而CC1、CC2和CC5在呈現Antoni-A型與Antoni-B型混合特征的VS_S2樣本中均勻分布（圖5a）。

圖5. 空間生態型特征揭示了前庭神經鞘瘤中的多細胞功能生態位

5、利用空間轉錄組學解析前庭神經鞘瘤中施萬細胞的結構

為識別區域富集的施萬細胞亞型，研究人員基于單細胞RNA測序參考數據，對分子特征不同的施萬細胞亞型進行空間注釋和定位。結果顯示：在VS_S1樣本中，JUNB+SCs在部分區域高表達但整體表達較低，PMP2+SCs和NOVhi SCs表達更廣泛，PRX+SCs在成纖維細胞表達區域周圍局部高表達，而VEGFA+SCs主要位于組織核心區域（圖6a-b）；在VS_S2樣本中，NOVhi SCs高表達區域遠離成纖維細胞主導區域，PMP2+SCs和JUNB+SCs的表達區域與組織染色結構特征一致，PRX+SCs和VEGFA+SCs呈局部表達，結合組織背景可見VEGFA+SCs集中于離散區域，可能提示血管生成或血管參與區域（圖6a-b）。進一步的空間關聯分析顯示，VEGFA+SCs的豐度與NOVhi SCs的表達呈顯著正相關（圖6c-f）。

圖6. 區域施萬細胞亞型的空間識別

6、成纖維細胞與施萬細胞之間的通訊可能從多個方面促進前庭神經鞘瘤的進展

研究人員通過CellChat V2分析VS_S2樣本，發現施萬細胞與成纖維細胞間的PSAP/GPR37L1和SPP1/CD44配體-受體對顯著富集（圖7a-e），多重免疫熒光染色驗證了這一結果，提示其在腫瘤發展中起關鍵作用。

進一步分析顯示，五種施萬細胞亞型與成纖維細胞間存在多種配體-受體對，涉及IGF、ANGPTL、CXCL和MDK等信號（圖8a-c）；成纖維細胞還是FGF、PSAP、MDK和IGF等多個細胞通訊網絡的核心（圖8d-e），表明兩者通訊可能通過多途徑促進腫瘤進展。

圖7. 前庭神經鞘瘤中的細胞配體與受體相互作用

圖8. 細胞通訊預測
 

研究結論

本研究通過整合單細胞RNA測序與空間轉錄組學技術，系統解析了VS的細胞異質性及空間分布特征。研究鑒定出8種主要細胞群，其中施萬細胞存在5種亞型，各亞型在發育、代謝、血管生成等通路中具有特異性功能?？臻g轉錄組學揭示了細胞的區域化特征，如VEGFA+SCs定位于腫瘤核心區域，且與NOVhi SCs呈顯著共定位；同時識別出5種空間生態型，分別對應Antoni-A型、Antoni-B型等病理結構。此外，細胞通訊分析發現施萬細胞與成纖維細胞間通過 PSAP/GPR37L1、SPP1/CD44等配體-受體對及IGF、FGF等信號通路相互作用，提示其在腫瘤進展中的關鍵作用。這些發現為理解VS的發病機制及開發針對性治療策略提供了新的分子和空間生物學依據。
 

單細胞轉錄組測序，是在單個細胞水平進行高通量測序的技術，能夠有效解決細胞異質性，有助于發現新的稀有細胞類型，深入了解細胞生長過程中的表達調控機制。利用微流控系統通過序列標簽（barcode和UMI）區別群體中的不同細胞和轉錄本，獲得單細胞水平的基因表達譜。

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空間轉錄組測序，通過對樣本包埋切片并與檢測芯片結合，利用序列標簽（spatial barcode和UMI）區別不同細胞的空間位置，可高效檢測組織中空間原始位置上的基因表達模式，兩者聯合可同時獲取細胞類型、功能及空間定位信息。
 

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快樂小包子 撰文

Tang 校稿