单细胞+肿瘤微环境+肿瘤耐药+肿瘤免疫治疗

肿瘤，在医学上是指细胞的异常病变，肿瘤细胞与正常细胞相比，存在结构、功能和代谢的异常，它们具有超常的增生能力，这种增生和机体不相协调。

通过下图来具体看下正常组织异常增生的过程。图1为鳞状上皮的结构，图 1A：上层是角化层、中层是基底膜、下层是结缔组织，正常组织的层次比较分明；图1D中上皮细胞出现异常增生，穿透基底膜到达结缔组织，也就是肿瘤。

图1 鳞状上皮细胞异常增生情况。A.良性的角化病；B.轻度鳞状异常增生；C.重度鳞状异常增生；D.鳞癌

肿瘤组织里面除了肿瘤细胞，还存在结缔组织、炎症细胞、纤维细胞等；肿瘤有十大基本特征：无限增殖潜能、侵袭和转移性、失去接触抑制、自主增殖信号、对抗程序性死亡、诱导血管形成、能量代谢异常、基因组不稳定、避免免疫破坏、诱发炎症反应。

图2 肿瘤微环境

研究肿瘤组织基因表达的方法常见的有传统转录组测序（bulk RNA-seq）、单细胞转录组测序（scRNA-seq）、空间转录组测序。bulk RNA-seq得到的数据是基于bulk水平上的平均结果，并不知道这批样本的实际细胞类型。研究肿瘤病人之间的异质性时，同一个病人肿瘤细胞之间是存在异质性的，bulk RNA-seq检测不到，可以通过scRNA-seq来解决这个问题。空间转录组技术可以研究肿瘤组织的基因表达以及位置信息，但目前的技术并不能实现单细胞分辨率。

scRNA-seq在肿瘤方向上的研究有很多，例如研究肿瘤微环境、研究免疫细胞或肿瘤细胞、研究肿瘤耐药等，不同研究方向的样本选择及实验设计有所不同。

图2 肿瘤基因表达方面研究的常见思路总结

肿瘤微环境

Phenotype molding of stromal cells in the lung tumor microenvironment

肺肿瘤微环境中基质细胞的表型构建

期刊：Nature medicine

影响因子：32.621

样本信息：人肺癌微环境(52698细胞)

本文共选取19个样本，通过scRNA-seq探索基质细胞的亚群分类、基因功能（信号通路）、关键marker基因和临床预后。鉴定出52个基质细胞亚群，反映了肿瘤微环境复杂性。绘制出的肺癌全面图谱能够为科学家们提供一种研究细胞类型的基准，便于后期研究人员在体外或动物模型中对这些细胞类型进行深度研究。同时，这些基质细胞亚型的生物标记作用，对患者的治疗与预后评估也至关重要。

肿瘤细胞特征

Single-cell transcriptomes from human kidneys reveal the cellular identity of renal tumors

单细胞转录组测序揭示人类肾癌的细胞特征

期刊：Science

影响因子：41.058

样本信息：

本文从肾癌、健康胎儿、健康人成熟肾脏三个方面，通过大规模的单细胞转录组测序构建了人不同肾脏的细胞图谱，进一步锁定了与儿童肾母细胞瘤（Wilms）相关的特定胎儿细胞类型，突破性的发现了与肾癌（RCC）相关的正常细胞，并描绘了复杂的血管内皮生长因子（VEGF）信号通路。

肿瘤耐药

Targeting enhancer switching overcomes nongenetic drug resistance in acute myeloid leukaemia

靶向增强子转换克服急性髓系白血病的非遗传性耐药

期刊：Nature Communications

影响因子：11.878

样本信息：两名患者的白血病干细胞(LSC)、BET抑制剂处理的药物初始细胞

本文对初始药物治疗和耐药急性髓系白血病（AML）患者样本进行scRNA-seq，结合非遗传耐药的独特小鼠模型中的细胞条形码，证明了转录可塑性驱动稳定的表观遗传抗性；通过CRISPR Cas9筛选，确定增强子功能的关键是耐药细胞状态；抑制LSD1能够通过促进先锋因子PU.1和辅助因子IRF8的结合来形成新的增强子，从而调节关键生存基因的表达，克服稳定的表观遗传抗性。这种增强子切换导致包括Brd4在内的转录共激活因子的重新分布。

肿瘤免疫治疗

Clonal replacement of tumor-specific T cells following PD-1 blockade

PD-1阻断后肿瘤特异性T细胞的克隆性替换

期刊：Nature Medicine

影响因子：30.641

样本信息：11例晚期基底细胞癌(BCC)患者在位点匹配的原发肿瘤中进行抗PD-1治疗前后，从组织样本中分选的恶性细胞、免疫细胞；4例接受抗PD-1治疗前后的鳞状细胞癌（SCC）患者的肿瘤活检样本的26016个肿瘤浸润性T淋巴细胞（TIL）。

本文对来自抗PD-1治疗前后基底或鳞状细胞癌患者位点匹配肿瘤的79046个细胞，进行了对应的单细胞转录组和T细胞受体测序。追踪T细胞受体克隆和转录表型揭示了肿瘤识别、克隆扩增和T细胞功能障碍的关联。

CD8和CD39双阳性T细胞的克隆扩增，共表达慢性T细胞活化和衰竭的标志物。然而，T细胞克隆的扩增并非来自预先存在的TIL，而是由先前在相同肿瘤中未观察到的新型克隆型组成。

在衰竭的CD8阳性T细胞中优先观察到T细胞的克隆替代，并且在患有基底或鳞状细胞癌的患者中明显。这些结果表明，预先存在的肿瘤特异性T细胞可能具有有限的恢复能力，并且T细胞对检查点阻断的反应可能来自于刚刚进入肿瘤的不同T细胞克隆库。这项研究对检查点阻断免疫疗法的设计具有重要意义。

目前关于单细胞测序在肿瘤方向的研究基本上偏向于基础科研研究，如何将单细胞结果应用到临床转化上呢？

针对以上研究实例，对单细胞测序在临床应用方面做一个展望。目前精准医疗尤其免疫治疗发展迅速，但仍需更好的生物标志物；针对肿瘤微环境TME的研究可以发现更多细分的细胞亚群，有可能成为潜在的肿瘤诊断、治疗的标志物；单细胞测序还可以发现一些新的靶点，为药物研发及治疗方案提供新的方向。