文献解析之空间分辨多组学强调胃癌细胞特异性代谢重塑和相互作用

大家好，本期小编分享的这篇中国医学科学院药物研究所贺玖明与齐鲁工业大学（山东省科学院）孙成龙、北京大学肿瘤医院季加孚/步召德、上海市生物医药技术研究院戴文韬等多个课题组密切合作在Na ture Com mu nica tions（IF=17.694）发表题为“Spa tially reso lved multi-omics high lights cell-specific meta bolic remo deling and intera ctions in gastric cancer”该工作在空间分辨多组学新技术研发及胃癌代谢重编程及交互作用研究方面取得重要进展。

研究背景

绘制肿瘤代谢重塑及其与周围非肿瘤细胞的空间串扰图可以从根本上提高我们对肿瘤生物学的理解，促进先进治疗策略的设计。

在这里，我们提出了基于质谱成像的空间代谢组学和脂质组学与基于微阵列的空间转录组学的集成，以分层可视化同一胃癌样本中的肿瘤内代谢异质性和细胞代谢相互作用。

肿瘤相关的代谢重编程在代谢转录水平上成像，并且制造商代谢物，脂质，基因在代谢途径中连接并在异质性癌症组织中共定位。

来自空间多组学方法的集成数据连贯地识别复杂肿瘤微环境中的细胞类型和分布，以及肿瘤细胞与相邻组织接触的免疫细胞主导的“肿瘤-正常界面”区域的特征，具有独特的转录特征和显着的免疫代谢改变。

我们绘制组织分子结构的方法提供了肿瘤内异质性的高度整合图，并在系统水平上改变了对癌症代谢的理解。

见图一

空间分辨多组学揭示了胃癌的肿瘤内异质性。

图一

a 一种综合空间分辨多组学策略，用于突出肿瘤代谢重塑和相互作用。

b 来自患者“No.0429”的胃癌组织切片的H&E染色图像和不同胃癌组织区域的×40放大H&E染色图像，整个组织切片的比例尺= 2 mm，放大图像的比例尺= 100 μm。实验重复三次。

c 根据 MALDI-MSI 数据进行代谢物和脂质驱动的组织切片分割。

d 代谢物和脂质驱动的原位PLSA分析。e 通过基于图的聚类算法着色的 Visium 阵列斑点。

见图二

不同肿瘤微区基因、脂质和代谢物谱的提取。

图二

a 根据H&E染色图像提取胃癌不同肿瘤微区基因表达谱的过程，上面板比例尺= 2 mm，下面板比例尺= 500 μm。H&E染色实验重复三次。

b 不同肿瘤微区特异性表达基因的UMAP分析和簇热图。c 胃癌组织切片中代表性基因的空间表达图像（色标强度为log2变换）。

d 根据采样点提取代谢物和脂质谱的过程 - 标记的H&E染色图像，比例尺= 2毫米（上面板），比例尺= 500 μm（下面板）。H&E染色实验重复三次。

e 桑基图显示了标记基因和代谢物在不同组织中的分布。左边每个矩形代表一个基因，右边每个矩形代表一个代谢物或脂质，中间每个矩形代表一种组织类型，每个变量的连接度根据矩形的大小显示。

f 提取的区域特异性代谢物和脂质谱。

g 胃癌组织切片中代表性代谢物和脂质的MS图像（色标强度为相对值）。IM肠上皮，LM固有层，LT淋巴组织，NE正常上皮，PM周围肌肉，TG肿瘤和腺体组织，TT肿瘤组织。

见图三

胃癌中重新编程的精氨酸和脯氨酸代谢途径的可视化。

图三

a 精氨酸和脯氨酸代谢途径中关键代谢物的MS图像和关键基因的空间表达图像（MS图像色标中的强度为相对值，基因图像色标中的强度为log2变换）。

b 小提琴图显示精氨酸和脯氨酸代谢途径中关键基因的表达水平。*鸟氨酸只能通过高分辨率MS光谱鉴定。TT肿瘤组织，TG肿瘤和腺体组织，NE正常上皮，IM肠化生，LT淋巴组织，MM粘膜肌层，PM周围肌肉，LM固有层，CNT结缔组织。

见图四

胃癌中重编程脂质合成和代谢途径的可视化。

图四

a 来自患者“No.0429”、“No.0602”和“No.0716”的胃癌组织切片的 H&E 染色图像，比例尺 = 2 mm。实验重复三次。b 脂肪酸从头合成途径。

c 磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺的合成和代谢途径。

d 胃癌组织中代表性脂质的MS图像（色标强度是相对值）。

e 患者“No.0429”（用于空间脂质组学的 6 个组织样本，n = 0429 个来自患者“No.0”的独立切片区域，平均值 ±SD）胃癌组织不同区域代表性脂质的表达水平，使用置信区间 95.2 的未配对双尾 t 检验计算 p 值。

f 脂质合成和代谢途径中关键基因的空间表达图像（色标强度为log0429变换）。

g 患者“No.<>”胃癌组织不同微区脂质代谢相关关键基因的表达水平。TT肿瘤组织，TG肿瘤和腺体组织，NE正常上皮，IM肠化生，LT淋巴组织，MM肌肉粘膜，PM周围肌肉，LM固有层，CNT结缔组织，SGS锯齿状腺体结构，HCM异位囊性畸形。

见图五

胃癌中逐步代谢重编程的可视化。

图五

a 来自患者“No.0602”的胃癌组织切片的H&E染色图像，比例尺= 2毫米。实验重复三次。

b 代谢物和脂质驱动的组织切片分割。

c 基于肿瘤组织（TT）和锯齿状腺体结构（SGS）的AFADESI-MSI和MALDI-MSI数据的PCA评分图。

d-q MS 图像和不同胃癌组织切片斑点中的葡萄糖、磷酸葡萄糖、乳酸、琥珀酸、苹果酸、组氨酸、组胺、FA-18：1、Lyso-PC-16：1、C26：2-OH-SFT、C22：0-OH-SFT、C22：1-OH-SFT、C24：0-OH-SFT 和 C24：1-OH-SFT 水平（用于空间代谢组学和脂质组学的 6 个组织样本，n = 来自患者“No.0602”的 0 个独立切片区域， 平均值±标清），***p < 001.0，**p < 01.0，*p < 05.0，使用置信区间 95.2 的不成对双尾 t 检验计算 p 值，色标强度为相对值。r 富含 SGS 组织的途径。s在氧化磷酸化途径中具有代表性的改变基因，色标强度为log1转化。t，u AOC2和SCD的空间表达图像，色标强度为log<>变换。TT肿瘤组织，SGS锯齿状腺结构，NE正常上皮，LT淋巴组织，MM肌肉粘膜，MT肌肉组织，CNT结缔组织。

见图六

胃癌肿瘤界面区域的免疫代谢重编程成像。

图六

a 病理学家注释的癌症组织切片区域，来自患者“No.0602”。

b 通过基于图的聚类算法着色的 Visium 阵列斑点。

c 按簇着色的胃癌组织的UMAP图。

d 胃癌组织的细胞簇注释。

e 视觉阵列斑点和 H&E 染色图像的融合图像，比例尺 = 2 mm。H&E染色实验重复三次。

f，g 整个胃癌组织切片和淋巴组织区域中谷氨酰胺和谷氨酸的MS图像，色标强度是相对值。

h GLS在整个胃癌组织切片和淋巴组织区域的空间表达图像，色标强度为log2变换。

i–l 谷氨酰胺、谷氨酸、GLS 基因和 SLC1A5 在不同胃癌组织切片斑点（用于空间代谢组学的 6 个组织样本，来自患者“No.0602”的 n = 0 个独立切片区，平均值 ± SD）中谷氨酰胺、谷氨酸、GLS 基因和 SLC95A6 的表达水平，使用置信区间 1.5 的未配对双尾 t 检验计算 p 值。花生四烯酸、二十二碳六烯酸、二十二碳五烯酸和二十二碳四烯酸在不同胃癌组织切片斑点中的m–p MS图像和表达水平（空间脂质组学的2个组织样本，每个组织样本n = <>个独立切片区域，平均值±SD），色标强度为相对值。

q–t FASN、SCD、ELOVL<>和ALOX<>AP在胃癌组织中的空间图像和表达水平，色标强度对<>进行变换。TT肿瘤组织，SGS锯齿状腺结构，NE正常上皮，LT淋巴组织，PLT周围淋巴组织，MM肌层粘膜，MT肌肉组织，CNT结缔组织。

研究结论

总之，我们的研究显示了如何整合SM，SL和ST方法来表征高度异质的癌症组织中复杂的肿瘤代谢重塑和肿瘤 - 微环境代谢相互作用。

代谢物，脂质和基因表达特征及其在肿瘤微环境中的空间变化被精确成像，并在不同的代谢途径中进一步连接。

从我们的分析中得出的对癌症相关代谢依赖性和免疫代谢改变的见解不仅有助于更好地了解肿瘤的分子机制，而且还提供了可能针对癌症治疗的潜在脆弱性。