影響因子：10.6

研究概述：癌癥相關成纖維細胞（CAFs）在腫瘤微環境中尤為突出，在塑造癌癥進化、血管生成、轉移、免疫調節、代謝重編程和治療耐受性方面發揮著關鍵作用。盡管α-SMA、FAP和S100A4等公認的 CAF 標志物有助于 CAF 的鑒定，但 CAF 固有的異質性給確定不同的 CAF 亞群鑒定帶來了挑戰。在這項研究中，作者利用泛癌癥單細胞轉錄圖譜對CAFs進行了新的分子分類，揭示了它們的進化和臨床意義。通過利用九種實體瘤的scRNA-seq數據集，作者鑒定出四個不同的CAF分子集群：祖細胞CAF（proCAF）、炎性CAF（iCAF）、肌成纖維細胞CAF（myCAF）和基質生成CAF（matCAF）。每個亞型都顯示出獨特的分子特征、進化軌跡、功能作用和臨床意義。該研究揭示了CAF亞群在腫瘤發生和發展過程中的演化路徑，為針對實體瘤中CAF的治療提供了新的見解。研究流程如下：

單細胞泛癌生信分析，想做類似分析歡迎交流。

研究結果：

構建和分析泛癌癥 CAF 圖譜

作者收集了來自 210 名患者近 50 萬個細胞的 scRNA-seq 數據，涵蓋 12 種不同的癌癥類型，包括BRCA（5 名患者的 27 890 個細胞），CHOL（10 名患者的 40 026 個細胞），COAD（33 名患者的 54 432 個細胞），STAD（22 名患者的 38 390 個細胞），LIH（7 名患者的 31 235 個細胞），LUAD（58 名患者的 207 876 個細胞），NEPC（6 名患者的 20 962 個細胞），PAAD（35 名患者的 96 063 個細胞），PRAD（13 名患者的 35 659 個細胞），UCEC（6 名患者的 39 101 個細胞），OV（4 名患者的 27 764 個細胞），UVM（11 名患者的 59 915 個細胞）。每個數據集都經過了標準的單細胞數據分析程序，包括過濾、降維和聚類，隨后成纖維細胞被分為兩大類：正常成纖維細胞（NFs）和CAFs，并進一步分為四種不同的亞型：proCAF、matCAF、myCAF 和 iCAF，確定這些分類后，作者進行了偽時間分析，揭示了這些 CAF 亞型的發展演變過程（圖A）。圖B餅圖表明CAF 亞群在不同癌癥類型中的流行率存在顯著差異，如在BRCA中觀察到大量的 matCAF，而在 LIHC 中則完全沒有這種亞型。圖C和D展示了各癌癥中NFs和CAFs的marker，圖E-H展示了STAD、LUAD、COAD 和 BRCA數據集中的擬時序分析結果，發現NFs和CAFs確實在發育軌跡上符合先前的認知。

四種 CAF 亞型中不同生物標志物的鑒定和特征描述

作者對泛癌中的CAFs進行了進一步的亞群鑒定，圖 2A-H全面展示了這些 CAF 亞型及其特定marker在不同癌癥中的分布情況。在UMAP 上，proCAF 和 iCAF較為接近，matCAF 和 myCAF 也是如此，這預示著表達模式的相似性。為了進一步驗證TME中每種CAF亞型的獨立存在，作者對STAD、LUAD和COAD患者的標本進行了染色，結果表明同一組織樣本中的 CAF 亞型具有不同的空間分布（圖 C、G、M）。iCAFs分布在整個腫瘤間質中，通常位于血管附近，myCAF 和 matCAF 亞型的分布更為集中，這表明它們在發揮功能作用時可能存在協同作用。單細胞水平的三維 PCA 圖表明：matCAF 簇在所有癌癥類型中都是一致的，表明 matCAF 在實體瘤中具有高度穩定的遺傳特征（圖 J）。此外，同一 CAF 亞型特異性標記物的表達水平顯示出高度正相關，尤其是 matCAF 內的標記物（圖 K）。這些發現表明了 matCAF 是一個獨特而明確的實體。為了驗證這些marker的可靠性，作者分析了TCGA泛癌隊列，結果表明這些生物標志物的表達水平在不同癌癥類型中表現出一致性（圖 L）。

CAF 亞型轉錄因子的激活多樣性

在鑒定出四個不同的 CAF 簇之后，作者轉而分析功能。由于轉錄調控網絡通常控制著細胞功能，作者應用 SCENIC 方法在泛癌癥單細胞基因表達數據集中識別關鍵 TFs，識別出 LUAD、STAD、COAD中每種 CAF 亞型中最活躍的 20 個 TFs（圖 A）。為了深入研究轉錄因子的表達模式，作者對不同形式的癌癥進行了全面分析，首先確定了每種癌癥類型中每種 CAF 亞型最常見的 100 個 TFs，然后對這些列表進行交叉分析，以確定所有癌癥類型中一致富集的 TFs（圖 B-E）。在這項分析中，細胞顏色的深淺表示核心調控子網絡中 TF 的活性水平，顏色越深的細胞代表活性越高。在 COAD 中，與細胞生長相關的NFIX 主要存在于 proCAF 中，參與免疫反應調節的IRF9 主要存在于 iCAF 中，影響肌生成和血管生成的 MEF2C 則主要存在于 myCAF 中，調控膠原蛋白形成的CREB3L1 在 matCAF 中有獨特表達（圖 F）。接下來，作者鑒定出每個CAFs的高表達TFs后對其進行了GO分析，在matCAF 亞型中主要表達的基因主要是膠原蛋白家族的成員，iCAF 參與協調免疫反應，myCAF 與收縮活動有關，而 matCAF 負責 ECM 重構（圖 H-K）。

CAF 亞型在腫瘤發展中的演變路徑

在擬時序分析中，proCAF 始終作為初始群體出現，這證明它被稱為 "祖細胞 "是正確的，proCAF 生物標記物在開始階段普遍存在，而 iCAF 和 matCAF 生物標記物的表達則隨著腫瘤的發展而逐漸增加，myCAF 生物標志物在腫瘤晚期達到高峰，而其他三種 CAF 亞型生物標志物在這一階段的表達量極低（圖 A-C）。作者還在LUAD特異性CAF scRNA-seq數據集中采用了RNA速度估算，區分了未剪接和剪接的mRNA（圖D）。另外，作者使用內部scRNA-seq數據集追蹤了STAD進展過程中各種CAF亞型分布的動態變化（圖E）。南京STAD隊列的UMAP圖顯示了癌癥不同階段CAF亞群的變化，隨著STAD的進展，myCAF和matCAF的表達量也在增加（圖F）。氣泡圖突出顯示了 STAD 中亞型特異性生物標志物的表達水平，揭示了每種生物標志物在其相應 CAF 亞型中的比例和平均表達水平的增加（圖 G）。此外，STAD 和 COAD 的 mIF 圖像強調了不同 CAF 亞型生物標志物表達的變化（圖 H），小提琴圖也描述了這些變化（圖 I）。這些結果表明，在腫瘤進展過程中，CAF 亞型的演變呈現出一種動態模式，proCAF 和 iCAF 在癌癥早期占主導地位，而 myCAF 和 matCAF 則在晚期更為普遍。

細胞環境中不同 CAF 亞型之間的通信網絡

為了深入研究 CAFs 的功能，作者研究了TME中的細胞通訊（圖 A、B），在各種癌癥類型中觀察到了一致的模式。iCAF 亞型在 CCL通路中發揮作用，matCAF 亞型參與了 PERIOSTIN 通路，proCAF亞型與IGF通路有關，對細胞增殖和發育至關重要，影響著TME內的各種細胞類型，myCAF 亞型與血管生成素和血小板衍生生長因子途徑有關，有助于血管生成，主要作用于內皮細胞和 matCAF。隨后作者將癌癥分為 "熱 "腫瘤和 "冷 "腫瘤，iCAF生物標記物在 "熱 "腫瘤中主要大量存在，但在 "冷 "腫瘤中幾乎消失，這可能是 "冷 "腫瘤對免疫療法耐受（圖C）。作者進一步探討了 "熱 "腫瘤TME內 "iCAFs "與其他細胞類型的相互作用，觀察到iCAFs 主要通過 CXCL12-CXCR4 配體-受體對與 B 細胞、骨髓細胞和 T 細胞等免疫細胞相互作用，通過 CCL2-ACKR1 和 CXCL2-ACKR1 配體-受體對與實體瘤中的內皮細胞進行通訊（圖 D）。圖 E 用圖形表示了 iCAFs 與免疫細胞和內皮細胞之間的這些主要通訊。總之，這些相互作用不僅加深了我們對 CAFs 如何發揮其功能的理解，而且還指出了它們作為癌癥治療干預靶點的潛力。

CAF 亞型作為預后指標的臨床意義

篩選和驗證針對 matCAF 的藥物

鑒于 matCAF 的促癌作用，作者通過排向小鼠模型共同注射 matCAF 和腫瘤細胞進行了體內實驗（圖A）。在 BRCA 模型中，與對照組相比，COL10A1 基因敲除 matCAF 組的腫瘤重量明顯較小（圖 B）。在STAD模型中，體內成像和生物發光分析表明，敲除 COL10A1 的 matCAF 大大降低了 STAD 的腹腔轉移能力（圖 C）。接下來，作者進一步檢索了目前有可能靶向 CAF 生物標志物的藥物，作者的目標是找出一種能同時靶向所有三個 matCAF 標志物的藥物。虛擬篩選預測 PCC1 是一種與所有三種 matCAF 標記蛋白都有很強結合親和力的化合物（圖 D），藥物靶標網絡以橙色節點代表三個 matCAF 生物標記物（CTHRC1、COL10A1 和 POSTN），綠色節點表示候選化學物質，直觀地顯示了這些潛在的相互作用。鑒于其藥物-靶標結合機制的可行性，POSTN 成為了藥物開發的可行候選對象。在 PCC1 和 12 個 POSTN 殘基之間檢測到了大量的分子間相互作用（圖 E）。PCC1 是眾所周知的強效抗癌化合物和潛在的延緩衰老劑，以前沒有報道過它能抑制 matCAF。為了評估 PCC1 的藥效學，作者用 CAFs 和 MKN45 細胞結合基質凝膠制作了一個皮下腫瘤小鼠模型，然后將其皮下注射到 NSG 小鼠體內。在該模型中，與對照組相比，用 PCC1 治療的小鼠腫瘤明顯較小（圖 F、G）。此外，PCC1 治療后的腫瘤組織切片染色顯示 matCAF 密度顯著降低（圖 H、I）。這些結果凸顯了 PCC1 的治療潛力，還強調了在癌癥治療策略中靶向 matCAF 以抑制腫瘤進展的重要性。

研究總結：

這項研究全面地解析了不同CAF群體在腫瘤發生中的作用，并根據每種 CAF 亞群的分子特征和功能作用開發針對促癌 CAF 的特異性抗 CAF 治療策略提供了可能。基于泛癌單細胞轉錄組數據，作者發現了四種CAF亞群：proCAF、iCAF、myCAF和matCAF，每種CAF都有不同的分子特征，這種分類方法始終適用于所研究的所有九種實體瘤類型。這些CAF亞型在各種實體瘤中顯示出獨特的進化途徑、功能作用和臨床相關性。最后作者利用已發現的小分子 PCC1 靶向 matCAF，體內外實驗顯示出了良好的抗腫瘤活性。總而言之，各種亞型的 CAF，尤其是 matCAF，在癌癥的發生和發展過程中起著至關重要的作用。以實體瘤中的 matCAF 為靶點的治療策略具有治療癌癥的巨大潛力。