大数跨境

【单细胞测序】Nat Commun(2023 IF:16.6)| 单细胞分析揭示儿童急性髓系白血病微环境

【单细胞测序】Nat Commun(2023 IF:16.6)| 单细胞分析揭示儿童急性髓系白血病微环境 丰信生命科学
2024-03-19
2
导读:发表杂志:Nature Communications(2023 IF:16.6)发表时间:2023-10-05


文章速递

2023年10月,Hope Mumme 在 Nature Communications 杂志上发表了题为 “Single-cell analysis reveals altered tumor microenvironments of relapse- and remission-associated pediatric acute myeloid leukemia” 的研究成果,利用单细胞转录组测序,阐明了复发和缓解相关的儿童急性髓系白血病肿瘤微环境的变化,深入描述了儿童复发或持续完全缓解样本的相关特征,帮助全面了解儿童骨髓样本的微环境。
01

研究背景



急性髓系白血病(AML)约占儿童白血病的20%,由于疾病的异质性,复发率高,AML的预后和治疗具有较大的挑战性。可测量/最小残留(MRD)指标对治疗后患者分层和临床评估至关重要,但是不完全可靠。目前需要找到更好的评估策略,能够指导治疗改善儿童AML患者的预后至关重要。骨髓(BM)肿瘤微环境(TME)的分子特征,以及区分AML-blast和non-blast的生物标志物对于确定恶性细胞群或转录环境的变化至关重要。本研究利用scRNA-seq分析揭示了急性髓系白血病患者骨髓微环境和周围部位的细胞及分子的变化。另外作者对Dx和EOI骨髓样本进行了单细胞转录组比较分析,为研究儿童AML的诊断和治疗靶点开发开辟了新途径。

02

研究设计



本研究获取20名患者,包括6名复发患者(患者1-6)和14名复发和持续完全缓解(CCR)患者(患者7-20))的31份骨髓样本,其中19个分析诊断(Dx)样本、10个诱导结束(EOI)样本、2个复发(Rel)样本。有9个Dx和EOI的配对样本,对4名患者富集分析结果中发现了7个基因标志物,5个用于验证7个基因标志物(患者16-20)。两名患者(5和6)收集了Dx、EOI和Rel配对样本。 

研究设计和分析方法概述

03

研究结果



scRNA-seq分析分化细胞和患者特异性的AML-blast细胞群
作者对四对Dx、EOI样本的scRNA-seq数据进行比较分析。对19,350个细胞进行注释,共鉴定到14个细胞簇(图1a)。其中有11个是基于分化免疫细胞和基质细胞等公认的markers(图1b),其余是基于特异性高表达基因(MPO+、CD34+Azu+)注释为blast细胞群(图1b)。在不同的患者中Blast细胞群具有特异性,反映了blast细胞之间的异质性(图1c)。不同组别的UMAP结果显示,与EOI样本相比,3个典型的blast细胞群在Dx样本中高表达(图1d)。总而言之,scRNA-seq的数据分析显示AML-blast细胞和其他的分化免疫细胞一样具有异质性。

图1. 单细胞转录图谱鉴定AML-blast细胞群的异质性

AML-blasts细胞标志物的鉴定

作者对Dx富集型AML-blast细胞群(MPO+、CD34+、Azu+)和EOI富集型non-blast细胞群进行基因差异表达分析(DEGs),发现232个差异基因。差异基因后续验证结果显示,患者样本3、5、6、14的scRNA-seq数据分析中,有44个基因的AML-blast具有明显的特异性,与治疗后的EOI中non-blast细胞相比,Dx样本AML-blast的表达更高(图1e)。其中与治疗后的non-blast细胞相比有20个基因是在Dx样本AML-blasts中特异性高表达(图2a)。其中两个已鉴定的blast细胞相关基因(NREPCLEC11A),在配对的Dx样本中,EOI样本中鉴定的三个blast群中高表达,比用于AML-blast临床鉴定的基因(CD34、MPO、CD33CD56/NCAM1)表达量更高(图2b)。

此外20个基因中有14个基因与生存显著相关,差异基因富集的结果显示最终得到7个基因标志物(CLEC11A、PRAME、AZU1、NREP、 ARMH1、C1QBP、TRH)。有趣的是,作者发现患者5(MLL+)和患者6(7/7(Del)/7(Add))的B和T细胞比例存在差异(图2g)。


图2. 发现异质AML-blast细胞标志物

分析Dx复发与CCR相关的AML-blast细胞差异

为了区分Dx的blast和免疫细胞的特征,作者分析了14个Dx的骨髓样本 。共得到28,181个细胞被分为15个类群,14,166个细胞被归类为AML-blast细胞,其余14,015个细胞被归类为non-blast细胞。为了针对性分析AML-blast细胞,作者将blast细胞重新聚类分析。UMAP结果显示,与CCR相关的blast细胞群聚集在一起,而与复发相关的blast细胞群聚集在一起,这表明复发与CCR的blast之间的转录组更相似(图3a)。每个群中不同患者的细胞比例有显著差异,说明患者特有的blast具有特异性(图3b)。


图3. CCR样本和复发样本的AML-blast细胞在转录水平的差异 
Dx复发相关的non-blast中耗竭T细胞和M1巨噬细胞分析

作者对Dx骨髓样本中的non-blast细胞进行了重点分析。non-blast细胞重新分群注释(图4a,b)。Dx复发和CCR相关样本中免疫细胞有明显的差别,特别是T细胞和单核/巨噬细胞(图4a)。对Dx的T细胞群的分析结果显示,有11种不同的T细胞亚群(图4c)。不同患者的AML-blast细胞在幼稚和激活T细胞亚群转录水平上有明显的差异(图4d)。复发和CCR相关样本在T细胞亚群中的分布有差异,说明与复发和CCR相关的T细胞亚群中存在转录组差异(图4d),对复发和CCR相关样本进行比较,复发样本中的T细胞百分比明显更高(图4e)。对耗竭T细胞进行ssGSEA分析,与CCR相关样本相比,复发样本的耗竭T细胞得分更高(图4e)。

图4. Dx样本的免疫微环境分析 
CCR样本中富含炎性单核/巨噬细胞

作者在Dx样本的non-blast细胞中注释到3个单核/巨噬细胞群(图5a)。与CCR相关样本分布在1和2群,与复发相关的样本分布在6群(图5a)。白血病髓系标记物(ITGAM、ANPEP、CD33)的低表达证实了3个单核/巨噬细胞群为非白血病性质的细胞群。利用M1巨噬细胞基因集(S100A8、S100A9、S100A12、TYROBP、VCAN、CD68、MNDA、CyBB、STAT1)进行ssGSEA富集分析,与复发相关的样本相比,CCR相关样本中M1巨噬细胞显著增多(图5b)。总而言之,Dx相关样本中富含炎性M1巨噬细胞,与CCR相关的样本中据有丰富未成熟的单核细胞群。

图5. CCR样本中炎性单核/巨噬细胞的富集分析

EOI治疗后blast细胞的特征

EOI样本治疗后的骨髓微环境特征对于发现blast细胞和non-blast细胞对临床结果的影响至关重要。作者进行scRNA-seq数据整合分析发现Dx和EOI细胞群中,含blast细胞数高的Dx样本在4、6和8细胞群中整合结果良好(图6a)。作者为了研究在转录水平上的差异,对治疗后EOI residual blast细胞和Dx的blast 细胞进行了差异分析(图6b) 。EOI residual blast细胞高表达包括HOPX、SELENOP/SEPP1FAM30A/C1orf110在内的多种与肿瘤生长和不良预后相关的基因。EOI residual blast上调通路中的基因集在TARGET AML-1数据集中进行生存分析,有较差的存活率,说明这些基因/通路在疾病进展中有关键作用。综上所述,与骨髓微环境调节相关的基因和通路在治疗后EOI residual blast细胞中的差异可能会导致AML患者不良OS和低EFS。

图6. 治疗后EOI样本中residual blasts的scRNA-seq分析

复发相关的EOI样本显示T细胞增多和单核/巨噬细胞减少

为了分析EOI样本中的non-blast细胞,作者从Dx和EOI数据集中选择了仅来自EOI的细胞(15,070),并重新分群注释(图7a)。CCR复发相关样本的non-blast细胞群中,免疫细胞(T细胞、NK细胞和巨噬细胞/单核细胞)的分布发生了变化(图7a)。在EOI上,CCR相关的non-blast细胞结果显示T细胞的比例较多,CCR相关样本中单核细胞/巨噬细胞的比例较高(图7b,c)。对M1和M2巨噬细胞进行ssGSEA分析,EOI样本中CCR相关的炎性M1巨噬细胞显著聚集,而在复发相关的EOI样本中,M2巨噬细胞显著聚集(图7d)。T细胞分为三个群,即naive T cell-1、naive T cell-2和NK/T细胞群(图7a),naive T cell-2细胞群在复发相关的EOI样本中有更高丰度(图7e)。通过比较这两种T细胞,发现naive T cell-2中包括HLA-A和HLA-B在内的MHC-I类基因表达较低。对naive T cell-2进行通路分析发现与Th1、Th2、钙诱导的T细胞凋亡、T辅助细胞中的CD28信号通路均下调(图7f)。


图7. EOI non-blast细胞在复发和CCR患者样本中的不同表达模式
使用bulk RNA-seq基因集富集分析验证耗竭T细胞和M1巨噬细胞与儿童AML预后的相关性
对scRNA-seq数据的免疫细胞分析中,耗竭T细胞与儿童AML有较差的预后(图4e),而M1巨噬细胞(图5b)和幼稚T细胞 (图4e)的丰度可以改善预后。在两个独立的bulk数据集中评估和AML相关免疫细胞的标志物,bulk数据集中根据6个基因(Dnmt3b、GPR56、CD34、SOCS2、SPINK2、FAM30A)的表达量来描述儿童AML显著的预后分析和EFS。作者使用单样本富集分析(ssGSEA)方法评估了bulk RNA-seq数据集中的各种免疫细胞类型,包括M1巨噬细胞、耗竭T细胞和调节性T细胞。在AML的数据集中,M1型巨噬细胞和LSC6得分呈显著负相关,说明在高风险样本中富集程度较低,耗竭T细胞和LSC6得分呈显著正相关。同样也对其他的细胞类型和高中低组进行了评估,发现和中风险样本相比,M1巨噬细胞主要富集在低风险的AML样本中,和低风险组样本相比,耗竭T细胞主要分布在中风险样本组。这些结果说明:M1巨噬细胞和幼稚T细胞在预后较好的CCR样本中富集,而耗竭T细胞在预后较差的复发样本中富集。
04

研究结论



该研究使用scRNA-seq数据分析诊断(DX)、诱导结束(EOI)和复发的儿童AML骨髓(BM)样本。识别AML-blast特异的基因特征,并描绘不同临床结局儿童骨髓微环境中的免疫细胞组成,为精准医疗提供依据。

参考文献:

Hope Mumme, Beena E Thomas, Swati S Bhasin, et al.  Single-cell analysis reveals altered tumor microenvironments of relapse- and remission-associated pediatric acute myeloid leukemia.Nat Commun. 2023 Oct 5;14(1):6209. doi: 10.1038/s41467-023-41994-0.
本文由SEQUANTA编辑并授权,若需转载,请注明来源。





【声明】内容源于网络
0
0
丰信生命科学
内容 142
粉丝 0
丰信生命科学
总阅读61
粉丝0
内容142