Nat Commun | 空间转录网络揭示“癌王”胰腺癌前病变的关键标志物
2024-09-26
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导管内乳头状粘液瘤(IPMN)是胰腺的囊性病变，具有乳头状突起，其特征是产生黏液的上皮。 IPMN可起源于侧支管(BD-IPMN)、主管(MD-IPMN)或两者兼有(混合型IPMN)，被认为是胰腺导管腺癌(PDAC)的前体，MD-IPMN可起源于侧支管(BD-IPMN)、主管(MD-IPMN)或两者兼有(混合型IPMN)，被认为是胰腺导管腺癌(PDAC)的前体。
目前，导管内乳头状粘液瘤(IPMN)诊断依赖于影像学和组织特征，缺乏生物学特征的分子标记物，导致患者风险分级不够精准，无法准确指导患者选择最佳治疗方案。2024年3月，来自意大利的研究团队在Nature Communications（IF=14.7）发表题为“Identification of spatially-resolved markers of malignant transformation in Intraductal Papillary Mucinous Neoplasms”的研究性论文，通过两种空间转录组学(ST)技术在两个独立的患者队列中评估和确认IPMN的亚型特异性标记，为进一步理解IPMN基因表达景观和与PDAC进展相关的关键转录网络提供基础。
研究材料
VIisum：14名IPMN患者的TMA样本（4例低级别+9例高级别+4例PDAC+1例癌旁）；
GeoMx DSP：46名IPMV患者的TMA样本（6例LGD IPMN+17例边界IPMN+13例HGD胃IPMN+21例HGD肠IPMN）
技术路线
步骤1：Visium空间转录组分析低级别IPMN和高级别IPMN特征，鉴定与等级相关的转录因子
步骤2：GSEA分析鉴定标志性的癌症通路和细胞类型特征
步骤3：独立IPMN队列通过GeoMx DSP技术验证Visium结果
步骤4：确认并验证与进展为高级别胃IPMN相关转录因子——NKX6-2
研究结果
1. Visium空间转录组数据分析
通过Leiden算法在4个TMA中发现了23个与组织学特征相关的空间clusters，精确定义了低级别IPMN (LGD和边界)和高级别IPMN (HGD胃、HGD肠和HGD胰胆管)。虽然LGD和边界IPMN有共同的突变(RNF43)，但表现出不同的转录特征，17个clusters在4个TMA中包含不同类型的正常和肿瘤相关基质，所有IPMN都具有Moffitt激活的基质特征，表明存在典型的促肿瘤基质。
图1 研究材料组成
图2 Visium展示样本空间分布特征
2. IPMN的转录组特征鉴定与等级相关的转录因子
对PDAC主要分子亚型进行基因模块分析，发现这些亚型与所有IPMN中的Moffitt经典亚型、Bailey胰腺祖细胞亚型和Collisson经典亚型相关。此外，基底样、鳞状和准间质基因组在所有IPMN中均未表达。DEA分析定义了表征每个IPMN cluster的基因特征。6个转录因子与不同级别的IPMN相关：LGD型IPMN主要表达转录因子HOXB3和ZNF117，边界型IPMN高表达SPDEF、NR4A1和NR4A2；HGD胰胆管IPMN与胃和肠IPMN共享标记物NKX6-2。通过SCENIC进行转录因子活性分析，发现HOXB3、SPDEF和NKX6-2的转录活性与转录因子的聚类和RNA表达均相关。
图3 IPMN聚类marker展示
3. 标志性的癌症通路和细胞类型特征
为确定IPMN恶性转化的关键途径，通过GSEA分析，IPMN进展过程中激活的关键癌症相关途径包括：通过NFKβ和MYC靶点的TNFα信号传导，上皮-间质转化(EMT)以及KRAS信号传导。
图4 GSEA比较HGD胃IPMN与LGD胃IPMN结果展示
HGD胃IPMN表达胃峡细胞特征，如NKX6-2；肠型HGD IPMN表达与肠杯标记相关的基因特征。通过Visium空间转录组技术确定不同等级和形态的IPMN相关标记和途径，并过滤掉IPMN和基质细胞之间共享的所有spot，比较分析验证了这些标记和基因特征。
图5 GSEA结果显示与HGD胃IPMN相关的细胞特征
4. GeoMx ST数据分析
Visium空间转录组结果在另一个独立的57个IPMN样本队列的GeoMx DSP结果得到验证。再次观察到特异性转录因子与IPMN等级之间的关联：ZNF117在LGD和边界IPMN高表达、SPDEF在边界IPMN表达、NKX6- 2在HGD胃IPMN表达，强调了这些基因对IPMN进展为PDAC的潜在重要性。
对GeoMx数据进行DEA和GSEA分析，证实与LGD IPMN相比，TNFα信号传导和MYC激活是HGD胃IPMN、边界和肠IPMN的主要癌症特征。并确认其他一致特征：如HGD胃IPMN中存在胃峡部细胞特征，HGD肠IPMN中存在十二指肠杯状细胞特征。
图6 GeoMx ST分析
5. NKX6-2表达与进展为高级别胃IPMN相关
接下来通过stLearn重新分析Visium的两个TMA数据，推断LDG(边界)和HGD胃IPMN之间的空间演化轨迹，发现在边界IPMN中存在局部亚群和HGD IPMN具有共同的进化轨迹。这些轨迹的过渡标记中的大多数是胃特异性的，包括PSCA、VSIG1和NKX6-2，这表明NKX6-2可作为IPMN胃型分化的标志。使用表型成像平台和多重免疫荧光分析得到验证。
综上，NKX6-2似乎在IPMN向胃表型转化的转录开关中起着至关重要的作用，而SPDEF主要与肠道表型相关。NKX6-2和SPDEF似乎分别作为胃和肠IPMN的唯一和二元标记物。评估NKX6-2、SPDEF、HOXB3的表达，可为IPMN亚型和分级的精确临床评估提供依据。
图7 stLearn胃IPMN的聚类和空间轨迹
图8 多重免疫荧光验证空间转录组主要标记物
总结
识别驱动癌前IPMN向PDAC发展的生物标志物对准确评估和临床管理至关重要。本研究通过新一代测序技术与高分辨率成像技术的结合，确定了在IPMN恶性进展相关的致癌途径： TNFα信号（NFKβ和MYC）、EMT、KRAS；定义了特定的基因标记和特征模式，HOXB3、SPDEF、NR4A2与低级别IPMN相关，NKX6-2和胃峡细胞标记物、十二指肠杯状细胞标记物与高级别IPMN相关。总之，本研究为理解IPMN的基因表达景观和关键的基因表达机制和PDAC进展相关的转录网络提供基础，为IPMN患者更好的风险分层和管理提供了一个转化为临床预后标志物的机会。
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