DSP技術(shù)助力開發(fā)胰腺癌模型用于免疫景觀分析和個性化治療

文章題目：Development of human pancreatic cancer avatars as a model for dynamic immune landscape profiling and personalized therapy

中文題目：開發(fā)胰腺癌“阿凡達(dá)”模型用于免疫景觀分析和個性化治療

發(fā)表期刊：Science Advances

影響因子：11.7

研究機(jī)構(gòu)：牛津大學(xué)腫瘤學(xué)系

Doi：10.1126/sciadv.adm9071
 

1、文章簡介 

胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）是最常見的胰腺癌類型之一。主要因?yàn)榇蠖鄶?shù)患者在診斷時已處于晚期階段，且預(yù)后差，因此PDAC的整體生存率較低。由于現(xiàn)有的治療方法效果有限，亟需更好的模型系統(tǒng)來提升治療策略。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種灌注培養(yǎng)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的靜態(tài)培養(yǎng)方法相比，灌注培養(yǎng)能更穩(wěn)定地維持腫瘤的代謝狀態(tài)和組織結(jié)構(gòu)完整性及細(xì)胞活力。利用多重免疫熒光（IF）和GeoMX DSP空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，研究人員能夠精確分析腫瘤切片中的免疫細(xì)胞分布和基因表達(dá)，揭示了腫瘤微環(huán)境的異質(zhì)性和不同免疫細(xì)胞之間的相互作用。

最后，利用胰腺癌“阿凡達(dá)”模型能夠有效地用于個性化治療的評估，展示了代謝干預(yù)對腫瘤微環(huán)境的影響。通過這種模型，個性化治療策略可以顯著降低患者的腫瘤標(biāo)志物水平，證明了其在精準(zhǔn)醫(yī)療中的應(yīng)用潛力�？傮w而言，這項(xiàng)研究為提高PDAC的治療效果提供了新的思路和方法。

 

2、技術(shù)路線

灌注培養(yǎng)系統(tǒng)構(gòu)建“阿凡達(dá)”模型

灌注培養(yǎng)提供連續(xù)的培養(yǎng)基流動，保持細(xì)胞的代謝活性。對比組采用傳統(tǒng)的靜態(tài)培養(yǎng)方法，每72小時更換一次培養(yǎng)基。監(jiān)測葡萄糖和乳酸濃度，評估細(xì)胞的代謝活動。灌注培養(yǎng)能夠保持恒定的葡萄糖濃度和較低的乳酸積累，表明代謝更穩(wěn)定。

“阿凡達(dá)”模型評估

通過組織病理學(xué)評分和免疫組化檢測評估組織健康狀況，灌注培養(yǎng)條件下的組織健康狀況保持較好。分析細(xì)胞增殖相關(guān)標(biāo)志物和蛋白合成標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)灌注培養(yǎng)條件下這些標(biāo)志物保持穩(wěn)定。

免疫景觀分析

1）多重免疫熒光：

使用多重免疫熒光技術(shù)，檢測切片中的免疫細(xì)胞類型，包括CD4+ T細(xì)胞、CD8+ T細(xì)胞、調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Tregs）、巨噬細(xì)胞和B細(xì)胞。

2）DSP空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)：

通過空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)分析腫瘤和基質(zhì)部分的基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)灌注培養(yǎng)能夠維持基因表達(dá)的穩(wěn)定性。

3）免疫細(xì)胞鄰近關(guān)系：

通過HALO軟件分析免疫細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞之間的距離，評估不同免疫細(xì)胞之間以及它們與腫瘤細(xì)胞之間的相互作用。

代謝及化療治療評估

使用經(jīng)臨床前驗(yàn)證的代謝治療方法，評估其對腫瘤和基質(zhì)細(xì)胞的影響。發(fā)現(xiàn)灌注培養(yǎng)條件下的腫瘤切片能恢復(fù)基質(zhì)和免疫表型，并促進(jìn)腫瘤的再分化。使用gemcitabine治療，監(jiān)測“阿凡達(dá)”模型的反應(yīng)，并與臨床隨訪結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模型能夠預(yù)測患者的臨床反應(yīng)。

個性化治療

通過“阿凡達(dá)”模型對患者進(jìn)行個性化治療評估，提供有價值的信息，用于同種異體治療的測試和精確醫(yī)療。

 

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Figure1：灌注培養(yǎng)條件下細(xì)胞的代謝和存活

灌注培養(yǎng)條件比靜態(tài)培養(yǎng)條件更好地維持了胰腺癌細(xì)胞的代謝穩(wěn)定性和細(xì)胞活力。具體表現(xiàn)為葡萄糖濃度穩(wěn)定、乳酸積累較低，以及關(guān)鍵蛋白質(zhì)（pS6和Cyclin D1）的表達(dá)較為穩(wěn)定。

Figure2：灌注培養(yǎng)維持了腫瘤模型組織結(jié)構(gòu)

通過DSP空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)、多重免疫熒光（IF）和HALO分析，研究人員高精度地描繪出胰腺癌“阿凡達(dá)”模型中的免疫細(xì)胞分布和基因表達(dá)模式。DSP空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)能夠在“阿凡達(dá)”模型中精確定位和量化多個基因和蛋白質(zhì)的表達(dá)，揭示腫瘤微環(huán)境中不同細(xì)胞類型及其相互作用的詳細(xì)空間分布。

結(jié)果顯示，腫瘤微環(huán)境中存在顯著的免疫細(xì)胞異質(zhì)性，不同區(qū)域的免疫細(xì)胞分布和基因表達(dá)存在顯著差異。通過分析腫瘤和基質(zhì)區(qū)域的基因表達(dá)差異，揭示了腫瘤區(qū)域和基質(zhì)區(qū)域在基因表達(dá)上的顯著差異，特別是與免疫反應(yīng)相關(guān)的基因在不同區(qū)域中的分布不同。通過比較灌注培養(yǎng)和靜態(tài)培養(yǎng)條件下的基因表達(dá)，研究發(fā)現(xiàn)灌注培養(yǎng)能夠更好地維持腫瘤組織的代謝穩(wěn)定性和細(xì)胞活力。利用HALO軟件中的相關(guān)模塊進(jìn)行鄰近和空間分析，了解不同免疫細(xì)胞類型在腫瘤微環(huán)境中的空間分布和相互作用。

結(jié)果表明灌注培養(yǎng)在模擬真實(shí)腫瘤微環(huán)境方面具有優(yōu)勢，有助于更準(zhǔn)確地研究腫瘤生物學(xué)特性和藥物反應(yīng)。

Figure3：胰腺癌模型中的免疫細(xì)胞異質(zhì)性

通過DSP空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)展示了不同患者（PDCAs 10、12、13）之間免疫細(xì)胞的顯著異質(zhì)性，包括CD4+ T細(xì)胞、CD8+ T細(xì)胞、調(diào)節(jié)性T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等的分布和密度。使用HALO軟件分析免疫細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞的接近度。這種異質(zhì)性為理解個體化免疫反應(yīng)提供了重要依據(jù)，有助于開發(fā)針對性的免疫治療策略。

Figure4：胰腺癌模型中免疫細(xì)胞的空間分析

通過HALO軟件分析免疫細(xì)胞在腫瘤中的空間分布。其中PDCA13患者的生存時間顯著長于其他兩位患者（PDCA10和PDCA12）。這種差異與免疫細(xì)胞的分布和浸潤情況一致，特別是PDCA13患者在腫瘤內(nèi)的B細(xì)胞、Tregs和CD4+ T細(xì)胞比例較高，且CD8+ T細(xì)胞與其他免疫細(xì)胞之間存在顯著的空間距離。這表明，免疫細(xì)胞的空間分布和浸潤情況可能與患者的生存率有重要關(guān)聯(lián)。這種空間異質(zhì)性可能與不同患者對免疫治療的反應(yīng)差異有關(guān)。

Figure5: 抗壞血酸和二甲雙胍對腫瘤和基質(zhì)的影響

通過對腫瘤模型進(jìn)行DSP空間轉(zhuǎn)錄組分析，研究了兩種藥物處理下的基因表達(dá)變化。利用已發(fā)表的基因集，通過GSVA分析發(fā)現(xiàn)藥物處理使腫瘤細(xì)胞從侵襲性的鱗狀樣表型向較溫和的經(jīng)典表型轉(zhuǎn)變。對基質(zhì)細(xì)胞的GSVA分析顯示，藥物處理后與較溫和腫瘤相關(guān)的基質(zhì)形式增加，而與侵襲性腫瘤相關(guān)的活化基質(zhì)減少。通過CIBERSORTx反卷積分析，展示了藥物處理對CD8+ T細(xì)胞的影響，顯示免疫成分的變化。結(jié)論表明，抗壞血酸和二甲雙胍治療能夠通過改變腫瘤細(xì)胞表型、基質(zhì)反應(yīng)和免疫細(xì)胞浸潤，從多個方面抑制胰腺癌的侵襲性特征。

 

Figure6：“阿凡達(dá)”模型在精準(zhǔn)治療中的應(yīng)用

Gemcitabine是胰腺癌治療中的標(biāo)準(zhǔn)化療藥物，廣泛應(yīng)用于臨床。因?yàn)榛�療通常在手術(shù)切除后大約3個月開始，利用這一時間窗口，研究可以在治療前測試潛在藥物并分析結(jié)果，以選擇進(jìn)一步的治療方法。通過在患者“阿凡達(dá)”模型中使用gemcitabine，研究人員可以評估這種標(biāo)準(zhǔn)化療藥物在不同患者模型中的具體反應(yīng)。通過qPCR評估GATA6和KRT81基因表達(dá)，PDCA14中GATA6的低表達(dá)和KRT81基因的高表達(dá)表明該腫瘤為鱗狀細(xì)胞樣，因此是一種更具侵襲性的亞型。PDCA16和PDCA17顯示相反的表達(dá)譜，因此很可能是經(jīng)典腫瘤。鱗狀細(xì)胞樣腫瘤對gemcitabine治療具有更高的敏感性，gemcitabine治療后PDCA14顯示細(xì)胞增殖減少和細(xì)胞死亡增加，而 PDCA16 和 PDCA17 對治療沒有反應(yīng)�；颊叩呐R床結(jié)果與“阿凡達(dá)”模型的觀察結(jié)果一致。

該模型的開發(fā)助于理解個體間的差異，并為個性化治療策略提供依據(jù)。通過比較gemcitabine治療前后的腫瘤行為變化，研究人員能夠驗(yàn)證模型的預(yù)測能力和實(shí)際應(yīng)用價值。

 

4、結(jié)論與總結(jié)

該研究成功開發(fā)了一種新型的人類胰腺癌“阿凡達(dá)”模型，利用灌注培養(yǎng)系統(tǒng)和DSP空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對腫瘤微環(huán)境中免疫景觀的詳細(xì)分析。研究表明，灌注培養(yǎng)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的靜態(tài)培養(yǎng)方法更能維持腫瘤細(xì)胞的代謝穩(wěn)定性和細(xì)胞活力，保持組織切片的結(jié)構(gòu)完整性和細(xì)胞穩(wěn)定性。通過多重免疫熒光和DSP空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，研究揭示了腫瘤微環(huán)境中的免疫細(xì)胞異質(zhì)性和分布差異，為理解個體化免疫反應(yīng)提供了重要依據(jù)。此外，研究評估了抗壞血酸和二甲雙胍等代謝干預(yù)措施對腫瘤和基質(zhì)成分的影響，發(fā)現(xiàn)這些干預(yù)措施能夠改變腫瘤微環(huán)境的基因表達(dá)和免疫細(xì)胞分布。利用胰腺癌“阿凡達(dá)”模型，研究能夠預(yù)測不同治療方案的效果，為個性化治療提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，展示了其在精準(zhǔn)醫(yī)療中的潛力。

DSP技術(shù)在解析腫瘤微環(huán)境中的空間異質(zhì)性以及評估治療反應(yīng)方面的強(qiáng)大能力，提供了精細(xì)的基因表達(dá)圖譜，有助于理解腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜性和治療的有效性。“阿凡達(dá)”模型的開發(fā)和應(yīng)用不僅顯著降低了患者的腫瘤標(biāo)志物水平并穩(wěn)定了疾病負(fù)擔(dān)，還為未來的癌癥研究和治療策略提供了寶貴的參考和實(shí)驗(yàn)平臺，有望推動精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展和應(yīng)用。