Nat Biotech | 多光谱组织单细胞3D空间表型分析
撰文：存在一棵树
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亮点：
开发了多光谱大规模单细胞分辨率 3D成像技术(mLSR-3D)，并将其与三维数据集并行化分割分析技术(STAPL-3D)联用；从肿瘤中提取了数百万细胞的分子、空间和形态特征，借此方法重建了肿瘤的空间表型模式。
2021年6月3日，荷兰Princess Máxima儿童肿瘤医院及荷兰癌症基因组学Oncode研究所的Ellen J. Wehrens与Anne C. Rios联合在《Nature Biotechnology 》上发表了一篇名为“Revealing the spatio-phenotypic patterning of cells in healthy and tumor tissues with mLSR-3D and STAPL-3D”的文章。介绍了一种独特的成像技术，可视化3D中完整的器官/肿瘤，包括整个组织，甚至在单个生物样本中达到亚细胞分辨率。
尽管三维(3D)成像技术有了很大的进步，但要在一个大的三维组织中描绘所有的细胞，包括现存的许多细胞类型的形态和组织，仍然是一项挑战。单细胞分辨率三维成像允许探索完整组织，并可保留在其他单细胞技术中经常因组织分离而丢失的空间和几何信息，其优势在于可在单一概览中揭示正常器官发育和细胞功能所依赖的不同细胞类型之间的关系，以及这种关系如何在病理条件下（例如癌症）发生变化。如图1所示研究人员开发了八光子的多光谱大规模单细胞分辨率 3D成像技术(mLSR-3D)，并将其与三维数据集并行化分割分析技术(STAPL-3D)联用。
为展示mLSR-3D 与 STAPL-3D 联用的潜力，研究团队对 Wilms 肿瘤（一种儿童肾癌）进行了空间表型分析。儿童早期肾母细胞瘤的流行与胎儿肾发生的破坏有关，因此其目的在于阐明肾母细胞瘤原位发育模式与HFK（人类胎儿肾细胞）的关系。为了创建空间表型参考图，该团队在 HFK 样本（妊娠第16 周）中定义了 11 个已知细胞群，分布在发育中的肾脏的三个组成部分：肾发生、收集系统和间质。如图2所示，基于分子标记以及形态特征和空间位置，利用3D 均匀流形近似和投影 (UMAP) 以及 210 万个细胞 × 19 个特征数据矩阵的聚类分析，将所得的20簇分配给特定的群体。获得 HFK 的空间表型单细胞景观后，预测从 Wilms 肿瘤样本中分割出来的 180 万个细胞的细胞类型，与 HFK 相比，Wilms 肿瘤的空间模式高度混乱，但可识别出肾源性结构，包括远端肾小管、输尿管芽、肾囊泡/S 形体 (RV/SSB) 细胞及零星的早期祖细胞(CM)，但Wilms 肿瘤的上皮成分扩大了，其中输尿管芽扩大了 1.2倍、远端小管 1.6倍，最显着的是早期上皮 RV/SSB 扩大了 2.8倍。肾源性细胞的伪时间排序揭示了CM到到定向祖细胞 (RV/SSB) 的单一轨迹以及三个晚期群体，远端小管（DT）、近端小管祖细胞/近曲小管和肾小球（GL）。与 HFK 相比，Wilms 肿瘤显示出整体循环增加，尤其是RV/SSB，同时其CM 也特别高，意味着Wilms 肿瘤样本中扩大的 RV/SSB 簇是由于其内在循环特性以及向该簇分化的CM。
为了深入研究 Wilms 肿瘤特有的空间表型特征，研究团队为 HFK 和 Wilms 肿瘤创建了一个联合 UMAP，并确定了六个细胞簇，包括分化与未分化的上皮、基质和胚泡，这主要反映传统的 Wilms 肿瘤分类。随后通过亚聚类确定了周围基质内的肿瘤特异性群体，发现与周围基质相比，亚簇5的细胞高表达SIX2，并且呈纺锤形，不像Wilms肿瘤中常规的SIX2 圆形胚细胞。这可能具有特殊的意义，因为SIX2参与了HFKCM和Wilms肿瘤母细胞的未分化和增殖状态的维持，后者已知与化疗后的不良预后相关。尽管已鉴定细胞谱的临床重要性仍有待确定，但以上表明mLSR-3D 和 STAPL-3D 的联合应用可通过准确细胞亚群定量和新空间表型特征鉴定产生对肿瘤生物学的新见解的潜力。
综上，该研究团队提供了一种有针对性的原位分析方法，以利用 3D 成像数据中数百万个细胞的分子、形态和空间特征。而基于多重蛋白质组学和空间转录组学的最新进展，该团队设想该单细胞技术是解开器官及其相关肿瘤的复杂细胞组织迈出的关键一步，有潜力捕获肿瘤发生的基本空间表型特征。
教授介绍
Anne C. Rios，荷兰Princess Máxima儿童肿瘤医院首席研究员。Rios 博士开发了一种独特的成像技术，可以在 3D 中显示完整的器官/肿瘤，包括整个组织，甚至在单个生物样本中可达到亚细胞分辨率；其致力于通过使用共聚焦、多光子和光片显微镜技术实施创新的成像策略研究控制小儿癌症进展的细胞动力学。其团队则正在实施这种 3D 方法和其他先进的成像技术的联用（如活体成像、超分辨率、多重成像），以破译在发育器官中控制儿童癌症发生和进展的细胞和分子机制。目前已经针对不同的儿科癌症和相关器官建立了发育和肿瘤生物学领域的几条研究线；包括高级别胶质瘤、肾癌和神经母细胞瘤。
参考文献
1、van Ineveld, R.L., Kleinnijenhuis, M., Alieva, M. etal. Revealing the spatio-phenotypic patterning of cells in healthy andtumor tissues with mLSR-3D and STAPL-3D. Nat Biotechnol (2021).