胃癌的發病率和死亡率在全球範圍內均位居前列，在亞洲、東歐等地區則更高。

造成這一現象的一大因素就是，胃癌在患者之間存在著高度的組織學、轉錄組學以及基因組學差異，這導致患者的臨床表現以及對治療的應答程度並不一致。

除此之外，患者體內腫瘤細胞之間的異質性，也影響著腫瘤的發展和治療的效果。然而，科學家們對胃癌的異質性特征，還缺乏較為全麵的理解。

近日，由杜克-新加坡國立大學醫學院的Patrick Tan教授領銜的研究團隊，在《癌症發現》期刊發表重要研究成果。

他們利用來自31例不同臨床分期和組織學亞型的胃癌患者的48個樣本，產生了包含超過200000個胃癌細胞的單細胞圖譜，為胃癌的腫瘤內和腫瘤間的細胞譜係研究，提供了高分辨率的分子數據資源。

在胃癌患者的臨床治療中，考慮胃癌的異質性並能識別驅動異質性的分子通路，被認為是能改善患者預後的措施，也是眾多研究者們的目標。

一些基於TCGA和ACRG數據的研究也證實了這一點，但它們大都關注於胃癌患者間的異質性(inter-patient heterogeneity)，而越來越多的科學家認為胃癌患者還有著高度的體內癌細胞間的異質性(intra-patient heterogeneity， ITH)。

因此，需要有關於胃癌患者高分辨率的數據，來研究胃癌細胞在體內如何進化、選擇和適應，以及指導臨床治療方案。

盡管一些分解算法能從傳統的bulk RNA-seq中分解出單個細胞係表達譜，並且有研究借此發現了胃癌的異質性是由癌上皮細胞和微環境中其他細胞共同作用造成的[5]。但這種方法無法發現一些小規模細胞亞群，以及細胞間互作關係。

考慮到這些局限性，Patrick Tan團隊采用了單細胞測序手段。

他們對來自31個有著不同的臨床分期、組織學特征、分子亞型的胃癌患者的48個腫瘤和相應的正常胃部樣本進行了單細胞測序，包含的細胞數量超過200000個。同時，為了研究體外培養對腫瘤及其微環境的影響，他們還對患者的體外腫瘤類器官進行了單細胞測序。

對scRNA-seq數據的降維聚類分析發現了34種細胞類型，根據已報道的組織特異的標誌物，又可以分為5大類，這在後續的非監督聚類中得到進一步驗證。

在所有細胞中，淋巴細胞不論是種類還是數量的都是最多的。

得益於所測序的細胞數量較多，他們還發現了一些新的罕見細胞類型STF4，它同時表達內皮細胞以及成纖維細胞相關的標誌基因。

接著，通過比較原發性的胃癌樣本和相應的正常組織樣本的單細胞表達譜，Patrick Tan團隊發現：在腫瘤中，上皮細胞比例小於正常組織，而髓樣細胞比例要大於正常組織。

不僅如此，相比於正常組織，腫瘤中上皮細胞會表達更高水平的與上皮-間質轉化，以及細胞運動能力相關的癌基因。

但前麵的分析發現胃癌組織中有多種上皮細胞，為了確定哪一種上皮細胞為主要細胞(chief cell)，研究人員比較了不同上皮細胞中一些胃癌相關癌基因的表達量，發現Epilnt1表現出上述基因的顯著上調。此外，與正常組織的上皮細胞相比，Epilnt1也有更多的拷貝數變異。

包含所有基因的分析發現，腫瘤各種類型上皮細胞上調和下調的基因數量存在差異，進一步表明了腫瘤內異質性。

在基質細胞中，研究人員發現成纖維細胞的三種亞型在一些CAF基因上存在表達調控的差異。

他們還比較了腫瘤和正常組織中的T細胞比例，結果與之前的報道一致——腫瘤組織中的T細胞比例更大。並且TCR在胃癌中表達的異質性與其他類型腫瘤類似。

這些結果表明，在胃癌組織中來自上皮和微環境中的細胞會表達不同的癌基因，形成了腫瘤複雜的分子肖像，從而促進腫瘤的發生發展。

臨床上根據Lauren分型可將胃癌分為彌漫型和腸型，這兩種類型的胃癌在組織結構和生物行為上均存在差異，為了探究其背後的分子機製差異，研究人員利用他們測出來的這兩種類型胃癌的單細胞數據進行了分析。

在彌漫型和腸型胃癌的單細胞數據比較中，研究人員發現彌漫型胃癌的漿細胞比例更大而上皮細胞的比例更小。此前曾有研究報道在多發性骨髓瘤中KLF2調控漿細胞的歸巢，因此Patrick Tan團隊猜測：彌漫型胃癌中出現更大比例的漿細胞可能是受到KLF2的調控[6]。

為了驗證猜想，他們將腸型胃癌和彌漫型胃癌中漿細胞和上皮細胞的KLF2的表達量進行了比較，發現彌漫型胃癌中超過50%的細胞出現KLF2上調，並且漿細胞的比例與上皮細胞中的KLF2表達量有關，而與漿細胞中的KLF2表達量無關。

他們認為上皮細胞的KLF2表達可能與漿細胞的募集有關，在後續的空間轉錄組測序，以及小鼠實驗中也驗證了這一點。

腫瘤相關成纖維細胞(CAF)在腫瘤的生長、轉移、入侵中發揮重要作用，為了研究CAF在胃癌中的調控通路以及異質性，研究人員利用scRNA-seq數據比較了不同臨床分期和組織學亞型的腫瘤樣本中三種成纖維細胞(STF1-3)的比例，發現隨著腫瘤進入晚期，成纖維細胞的比例逐漸變大。

TGF-在其他癌症中被報道能影響CAF的功能，那麼在胃癌中是否有同樣的功能呢[7]?

研究人員首先分析了TGF-通路所包含的9個基因，在胃癌三種成纖維細胞中的表達情況，發現與正常組織相比，隻有INHBA在STF2和STF3中出現上調。

隨後，通過INHBA與CAF的經典標誌基因的共表達分析，研究人員發現INHBA在STF3中與FAP有著顯著的正相關關係。像之前一樣，他們也做了空間轉錄組分析來驗證。

除此之外，Patrick Tan團隊還評估了FAP和INHBA的共表達在臨床上的作用，他們發現隨著胃癌進入晚期，STF3中表達INHBA和FAP的細胞就會越多，並且INHBA的表達量越高，患者的生存期越短。

和前麵的結論串起來就是隨著癌症進入晚期，STF3的比例增加，表達INHBA和FAP的細胞數量也會增加，並且患者的生存期變短。

最後，研究人員探究了與體內腫瘤細胞相比，體外腫瘤類器官培養對細胞轉錄狀態和整體的細胞比例的影響程度。

他們對腫瘤類器官的scRNA-seq數據做了一樣的降維聚類分析，發現盡管在各種細胞比例上和體內腫瘤有一些差異，但是仍然存在內部細胞異質性，以及在一些胃癌相關的基因上與體內腫瘤有著相同的調控趨勢。

值得一提的是，在類器官模型的細胞軌跡分析中，腫瘤組織的上皮細胞有著更多的軌跡分支，這與之前的一項研究的結論一致——腫瘤相關的上皮細胞有著更大的轉錄可塑性，這也可能是造成腫瘤內異質性的關鍵因素。