15万单细胞、19种实体瘤：系统学习血管内皮细胞泛癌的单细胞与空间转录组联合分析思路

为何靶向肿瘤内皮细胞的疗法疗效始终不尽如人意？这一困扰学界多年的问题，或许能从最新的泛癌研究中找到答案。

2024年7月12日，北京大学李金虎、王东芳、张泽民团队在《National Science Review》发表研究，揭示了人类癌症中内皮细胞的重塑特征及与癌症治疗的关联。今天我们就来拆解一下这篇文章：Pan-cancer integrative analyses dissect the remodeling of endothelial cells in human cancers。

研究概述

本研究整合19种实体瘤的单细胞RNA测序数据，构建泛癌内皮细胞图谱，解析肿瘤内皮细胞（TECs）的组成与功能异质性，明确其在肿瘤与非肿瘤组织中的表型差异，探究其与抗血管生成治疗（AAT）和免疫检查点阻断（ICB）疗效的关联，为靶向TECs的治疗策略提供依据。

实验设计

收集19种实体瘤的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，涵盖723个肿瘤或癌旁非肿瘤样本、575名患者，经质量控制后获取149,854个高质量内皮细胞；通过两轮无监督聚类分析内皮细胞亚群，探究其转录组特征、功能轴差异、跨癌种异质性及肿瘤进展中的表型变化，结合TCGA数据集和临床 trial 数据，分析其与患者预后及治疗疗效的关联。

研究结果

图1：构建泛癌内皮细胞单细胞图谱，明确内皮细胞主要亚群及各亚群功能基因表达模式；

图2：揭示内皮细胞亚群的表型异质性， angiogenesis、胶原形成及白细胞-内皮粘附功能存在差异，E02-tip-CXCR4 与血管生成相关，E06-veins-SELE 与炎症及T细胞浸润相关；

图3：CXCR4+ 尖端细胞分布于肿瘤核心并与上皮/恶性细胞共定位，ICAM1+ 静脉靠近T细胞分布；

图4：不同癌种的TECs存在异质性，器官特异性基因表达部分保留，毛细血管亚群转录组差异最大， angiogenesis 与胶原形成评分呈正相关；

图5：肿瘤组织中尖端细胞富集，动脉、毛细血管和淋巴管减少，内皮细胞在肿瘤进展中发生系统性重编程，部分基因表达呈现癌种保守性；

图6：E02-tip-CXCR4 高表达与不良预后相关，E06-veins-SELE 高表达与良好预后相关；E02比例与AAT疗效正相关、与ICB疗效负相关，E06比例则相反。

数据分析

生信分析

该研究涉及的组学技术包括：单细胞RNA测序（scRNA-seq）、空间转录组（MERFISH）和bulk RNA-seq（TCGA数据集）。

分析流程

1. scRNA-seq 分析：数据质量控制后，通过无监督聚类（两轮）鉴定内皮细胞主要亚群及精细亚群；进行转录组差异分析，筛选各亚群特征基因；功能富集分析探究亚群功能；结合 MERFISH 空间数据分析细胞空间分布；
1. bulk RNA-seq 分析：利用TCGA数据集，进行差异基因表达分析、基因特征评分计算，关联临床预后数据；
1. 组学联合分析：整合 scRNA-seq 鉴定的细胞亚群特征与 bulk RNA-seq 数据，验证亚群特征的临床相关性；结合 scRNA-seq 与临床治疗数据，分析细胞亚群与治疗疗效的关联。

统计分析

采用 Kruskal-Wallis 检验比较多组间功能评分及细胞比例差异；Pearson 相关分析探究基因表达、功能评分及临床指标间的相关性；Wilcoxon 检验比较肿瘤与非肿瘤组织、不同治疗响应组间的差异；Cox 回归模型分析细胞亚群与患者预后的关联，校正年龄、性别和肿瘤分期等混杂因素；Benjamini-Hochberg 法校正 P 值以控制假发现率。

总结

研究意义

本研究首次构建大规模泛癌内皮细胞单细胞图谱，系统揭示TECs的异质性及肿瘤进展中的表型重塑，明确E02-tip-CXCR4 和 E06-veins-SELE 两个关键亚群的功能及临床意义，为解释AAT和ICB治疗疗效差异提供新视角，为筛选治疗 Biomarkers 及开发靶向TECs的联合治疗策略奠定基础。

文章复现

这篇文章的原始数据和生信分析代码都公开了，非常全面。

• 原始数据：可通过 Zenodo 获取（ accession number 未明确标注具体编号），公开数据集详情见 Supplementary Table S1；
• 分析代码：GitHub 仓库地址：https://github.com/Chaosli98/Pan_Endo；
• 数据可视化平台：http://pan-endo.cancer-pku.cn/（用户名和密码：panE）。