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GeoMx DSP—靶向空间多组学技术在肿瘤免疫研究领域中的应用

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发表于 2021.10.25 09:42:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
GeoMx DSP作为近两年新晋的空间多组学技术,其热度不断攀升,今年相继在Nature、Cell、Nature Medicine、Cancer Cell这样的顶级期刊文献中出现,足以说明这项技术的实力。所以像这样集多功能性(空间转录组和空间蛋白组)和实力于一身的宝藏技术岂能错过!

DSP技术的基本原理是借助探针原位杂交和抗原-抗体互作的方式检测组织切片原位基因以及蛋白的表达,通过光可切割子在探针和抗体上连接寡核苷酸标签序列(DSP barcode)实现基因和蛋白的高通量检测和定量(具体原理细节可点击跳转查看《空间组学技术速递——DSP空间多组学技术》)。

图1 DSP探针结构示意图

DSP技术最大的特色在其“靶向性”,它可以靶向研究组织切片目标区域基因/蛋白表达特征,预先缩小了研究范围,极大提高了研究效率。这一点主要依赖于DSP与多重免疫荧光技术的融合,通过对切片的多重免疫荧光染色,预先了解切片的形态学特征,用户可以根据自己的研究目的针对性圈选目标区域进行测序分析,直接获取目标信息,有效规避了全切片无差别检测所带来的数据挖掘的压力,这一点也是DSP与10X Visium空间转录组技术最大的区别。

如下图2形象展现了DSP靶向性的魅力,案例中肿瘤切片使用了三重免疫荧光,分别是上皮来源肿瘤marker—PanCK,用来指示肿瘤区域;免疫细胞marker—CD45,用来指示免疫区域;以及DNA染料,用来指示细胞核。在DSP百万级微镜下可以基于免疫荧光结果精确的圈选出免疫区域、肿瘤区域以及肿瘤免疫微环境,依次获得各区域基因表达特征,直接解析肿瘤免疫微环境。

图2 DSP靶向研究肿瘤免疫微环境基因表达特征

不仅如此,DSP还可以与10X scRNA-seq结合,进一步探究肿瘤免疫微环境细胞分布特征,深度解析肿瘤细胞及微环境基因表达特征,有助于挖掘肿瘤的潜在治疗靶点,对于肿瘤靶向治疗的发展具有重要意义。

今年2月发表在Nature Medicine期刊的一篇有关滑膜肉瘤的文章就是将10X scRNA-seq与GeoMx DSP联合应用,深度解析了滑膜肉瘤肿瘤微环境,挖掘出滑膜肉瘤新的潜在治疗靶点,并最终对靶点的可靠性进行了分子实验的验证,为滑膜肉瘤的临床治疗提供了新的方案。下面我们重点来看一下文章的整体研究思路。


发表期刊:
Nat Med.
影响因子:53.444
发表时间:2021.2

研究背景

滑膜肉瘤是一种由SS18-SSX基因融合驱动的恶性肿瘤,是一种侵袭性间叶肿瘤,占青年软组织肉瘤的10-20%。该肿瘤的一个明显特点是肿瘤免疫微环境中极低的T细胞浸润程度,因此难以开展肿瘤免疫治疗,并且这种免疫逃逸的分子机制尚不清楚。

实验设计

1)样本来源:12例患者滑膜肉瘤组织进行单细胞测序;9例患者FFPE样本进行CTA(靶向检测癌症相关的1,800个基因),2例进行WTA(检测人全部18,000个基因);

2)技术手段:10X scRNA-seq、DSP(CTA/WTA)

技术路线


研究思路

1. scRNA-seq挖掘滑膜肉瘤核心致癌程序

作者首先基于marker基因表达、SS18-SSX融合基因检测、CNV分析对细胞图谱进行注释,最终定义恶性肿瘤细胞(图3B)。然后通过PCA和NMF(非负矩阵因子分解)分析,揭示一个存在于所有恶性细胞的基因模块,并定义它为滑膜肉瘤核心致癌程序(图3C)。

作者进一步探究了核心致癌程序的功能,富集分析结果显示,核心致癌程序主要集中在TNF信号通路、p53信号通路以及细胞凋亡的抑制,表明该基因集在免疫抑制和肿瘤细胞增殖方面可能有着重要作用。因此作者推断滑膜肉瘤免疫逃逸机制可能与核心致癌程序相关。

图3 滑膜肉瘤共表达核心致癌程序

2. DSP探究核心致癌程序在肿瘤微环境中的表达特征

为了验证这一推断,作者借助DSP空间转录组技术,直接在组织切片原位靶向检测肿瘤微环境中核心致癌程序的表达分布。

结果显示,核心致癌程序在组织空间中的表达分布与免疫细胞的浸润呈现出反相关的关系,也就是核心致癌程序越是显著高表达的区域,其免疫细胞浸润度越低,这一现象不论是在CTA还是WTA分析中都表现一致(图4A/B)。这一现象有力说明了核心致癌程序直接抑制了肿瘤微环境中T细胞的浸润,令本来具有抗肿瘤活性的CD8 T细胞无法消灭这些肿瘤细胞。

图4 核心致癌程序抑制肿瘤微环境中免疫细胞浸润

3. 靶向抑制核心致癌程序验证靶点可靠性

文章最后也是最关键的一步就是对前期筛选到的核心致癌程序进行实验验证,探究该程序作为临床治疗靶点的可靠性。

基因调控网络分析结果显示,核心致癌程序受融合基因 (SS18-SSX) 调控,并挖掘到共有的下游靶基因CDKN1A (p21) (图5A)。通过联合使用HDAC1抑制剂和CDK4/6抑制剂处理滑膜肉瘤细胞系,发现核心致癌基因以及融合基因的表达显著下调,而MHC-I细胞表面蛋白相关基因表达显著上调(图5B),提示肿瘤免疫原性增强,T细胞免疫杀伤活性明显恢复(图5C)。表明靶向抑制核心致癌程序可以有效遏制肿瘤生长,提高肿瘤免疫原性,但临床上是否有效还需要进一步确证。

图5 靶向抑制核心致癌程序有效增强肿瘤免疫原性

小结

DSP空间多组学技术将组织影像分析与高通量定量技术相结合,超前实现信息预筛选,在肿瘤免疫研究领域中具有其独特的优势,用户可基于切片病理特征,靶向研究肿瘤核心区域,对于解析肿瘤免疫微环境、挖掘肿瘤潜在治疗靶点具有重要意义。

然而,DSP技术不仅可以应用于肿瘤免疫研究,在神经炎症、分化发育研究领域同样可以展现其独特优势与魅力!

后续我们会陆续为大家介绍DSP在神经炎症、分化发育研究领域的应用思路,以及DSP与10X scRNA-seq的关联分析思路,我们下一期再见~

本文作者:基迪奥-September

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