“胃”来可期 | 单细胞助力胃部细胞图谱构建和疾病研究

胃能够产生酸和酶，帮助食物消化和杀死微生物，并调节食物到小肠的运输，胃也通过其内分泌细胞远程工作，发送远端信号来帮助协调饥饿/饱腹感和钙稳态。它由来自3个胚胎胚层的细胞组成，包括外胚层来源的肠神经细胞，中胚层来源的平滑肌细胞和间充质细胞，以及内胚层来源的胃腔上皮细胞[1,6]。单细胞技术可以从单个细胞水平上解析每个细胞的状态，在构建胃组织细胞图谱、揭示胃癌的发生发展机制和瘤内/瘤间的异质性，以及胃癌靶向/免疫治疗靶点和标志物的发现等方面起着重要的作用。本期推文将为大家介绍胃粘膜上皮细胞组成及单细胞测序技术在胃部研究中的相关进展。

胃的结构及细胞组成

胃是重要的消化器官，分为贲门区、胃体区和幽门区[4]。胃腺体上皮由单层柱状上皮排列，其固有层有许多管状内陷。这些内陷被称为胃单位，包括表面凹部(surface pit)、峡部(isthmus)、颈部(neck)和基底部(base)，峡部主要是干细胞及其子代，表面凹部、颈部、基底部的主要细胞类型分别为表面黏液细胞、颈黏液细胞及主细胞，壁细胞和肠内分泌细胞散在各处，另外还存在极少量的簇细胞[1,2,5,13,14](图1)。

图1. 人胃部结构及细胞组成[13]

1. 胃干细胞(Gastric stem cell)

胃上皮细胞由胃干细胞来维持，Han等(2019)发现胃腺体可划分为两个独立的区域，静息状态的胃干细胞维持基底部，快速循环的胃干细胞维持凹-峡-颈区[3](图2)。峡部干细胞(IsthSCs)具有分子异质性，能分化为所有的胃上皮细胞[13]。在稳态中，基底干细胞(BSCs)大部分处于静止状态，很少参与上皮细胞的更替，然而在损伤时，BSCs迅速增殖并补充整个腺体，BSCs可以维持胃上皮的稳态。

图2. 胃体由两个干细胞群维持[3]

2. 表面黏液细胞(Surface mucous cell;MUC5AC,TFF1)

表面黏液细胞又叫凹细胞(Foveolar cell)，位于胃腺的顶部，邻近峡部增生的细胞，占胃腺细胞总数的比例约为11%[4]。表面黏液细胞产生黏液，可以提供一种保护性的碱性分泌物来抵抗胃酸对胃的腐蚀。这些细胞排列在胃粘膜上，每3天更新一次[2]。

3. 颈黏液细胞(mucous neck cell;MUC6,TFF2)

颈黏液细胞位于峡部以下，朝向腺基部，最常见于胃底腺的上“颈部”区域(即靠近胃小凹底部的腺体开口)[3]。颈黏液细胞占胃腺细胞总数的比例约为6.5%左右[4]，它是一种不明显的上皮细胞，具有典型的黏液分泌外观，可以分化为主细胞。颈黏液细胞的具体功能尚不清楚。

4. 壁细胞(Parietal cell;ATP4A,ATP4B)

壁细胞又叫泌酸细胞(Oxyntic cell)，占胃腺细胞总数的比例约为6%[4]。壁细胞负责分泌胃酸，胃酸有助于食物的消化、矿物质的吸收和有害细菌的控制。壁细胞还可以通过分泌多种生长因子在胃粘膜稳态中发挥重要作用[5](图3)。

图3. 胃壁细胞生理[5]

5. 内分泌细胞(Endocrine cell;CHGA,CHGB)

胃腺体上皮中含有弥散的内分泌细胞，它们与肠道中的内分泌细胞共同构成了人类最大的内分泌系统。内分泌细胞由多种亚型组成，这些亚型由它们的主要激素产物或激素产生酶来定义，包括D细胞(SST)、G细胞(GAST)、X细胞(GHRL)、肠嗜铬细胞(EC;CHGA,REG4)和肠嗜铬样细胞(CHGA,HDC)[4]。产生组胺的肠嗜铬样细胞和产生胃饥饿素的X细胞存在于胃体中，而产生生长抑素的D细胞分布于整个胃中，产生胃泌素的G细胞专门分布在胃窦内[5](图4)。这些细胞感知肠道内容物并释放不同的激素来调节胃肠道活动、系统代谢和食物摄入。

图4. 胃中内分泌细胞的分布[5]

6. 主细胞(Chief cell;LIPF,PGA5)

主细胞(Chief cell)，又称胃酶细胞(Zymogenic cell)，主要作用是分泌消化酶，如胃蛋白酶原及胃脂酶，每隔几个月会更新一次。Daniel E.等(2013)发现在腺基部有一小群完全分化的主细胞表达干细胞标志物Troy，它们具有可塑性，能够补充整个胃单位，本质上可作为静止储备干细胞[9]。胃损伤如慢性萎缩性胃炎患者幽门螺杆菌感染后，主细胞会直接转化为表达解痉多肽的化生样(SPEM)细胞[10,11]。Marc Leushacke等(2017)认为Lgr5+的主细胞驱动胃上皮再生和癌症的发生[12]。

7. 簇细胞(Tuft cell;TRPM5,SH2D6)

簇状细胞，也称为刷状细胞，是一种罕见的上皮细胞，呈柱状，常为瓶状细胞，散在内胚层来源的中空器官的单面上皮内。它是一类独立的化学感应细胞，具有检测和传递环境信号的功能[7,8]。DCLK1是簇状细胞的标记物，簇状细胞表现出顶端突出的特征性形态，簇状细胞非常罕见，在一组胃标本中发现的簇状细胞不超过20个[14]。

单细胞转录组技术在胃部研究中的应用

1. 单细胞测序技术描绘胃组织的细胞图谱

Busslinger等(2021)通过单细胞分析确定了人类胃组织包括贲门、胃体和幽门区域活检组织的细胞图谱(图5)，比较了泌酸腺(贲门、胃体)和窦腺(幽门)中不同细胞类型的比例的差别，同时也分析了小鼠和人类数据集中主细胞、颈细胞、壁细胞和凹细胞的表达谱，揭示了不同类型的胃细胞在小鼠和人中基因表达模式的相似和不同之处[4]。

图5. 单细胞测序鉴定胃组织细胞类型[4]

Zhang等(2019)对癌前病变和早期胃癌(EGC)患者的胃窦活检组织进行了单细胞转录组学研究，构建了跨越病变上皮细胞的单细胞网络，并解剖了每个病变中典型细胞类型的分子特征。发现在化生过程中，腺体黏液细胞倾向于获得肠样干细胞表型，确定OR51E1作为早期恶性病变中独特内分泌细胞的标记物。确定了一组EGC特异性的特征，具有准确诊断EGC的临床意义[16]。

2. 单细胞转录组解析胃癌发生的分子机制

Bockerstett等(2020)通过胃上皮转录组分析表明，胃动蛋白3 (gastrokine 3, Gkn3) mRNA是小鼠胃体上皮化生(SPEM)的特异性标记物，在慢性炎症条件下，主细胞和颈黏液细胞是可塑的，并会聚成一种化生前细胞类型，并进展为化生[15](图6)。在胃癌肿瘤微环境中，多种细胞元素广泛的重编程，通过细胞数量、转录状态和细胞间相互作用的变化来描述，有助于理解肿瘤生物学包括免疫治疗，并能够识别新的靶点[17]。

图6. 拟时序分析追溯炎症诱导的SPEM来源于颈黏液细胞和主细胞[15]

3. 单细胞转录组发现胃癌细胞的异质性

张民等(2021)对胃腺癌(GA)肿瘤细胞的整合分析确定了五个具有不同表达谱的细胞亚群(图7)。其中3个亚组分化程度不同，与组织病理学Laurens亚型特征相对应。两个亚组显示出独特的转录组特征，一个表达主细胞标记物(如LIPF和PGC)和RNF43，且Wnt/β-catenin信号通路激活的亚组与之前描述的实体基底腺型GA(主细胞主导，GA- FG- CCP)一致，另一组特异性表达与EB病毒感染有关的免疫相关特征基因(如LY6K和II类主要组织相容性复合体)[18]。

图7. 胃腺癌的瘤内和瘤间异质性[18]

美国德克萨斯大学MD安德森癌症中心的研究人员(2021)对转移性胃腺癌开展了深入分析，构建了多名胃腺癌(GAC)患者腹膜转移的单细胞转录组图谱。分析了肿瘤细胞群的转录组状态，深入探讨了恶性腹膜癌细胞的瘤内异质性，发现其与患者生存的显著相关性。将腹膜转移癌标本分为两种独立于临床变量的预后亚型，获得了12个预后特征基因，并在多个大规模GAC队列中进行验证。这一预后特征对于胃癌的发生和进展至关重要，可用于对患者进行分层[19](图8)。

图8. 胃主导和混合型腹膜癌的12个特征基因[19]

4. 单细胞转录组测序提供胃癌免疫治疗策略

Hye Hyeon Eum等(2020)使用单细胞RNA测序鉴定来自四个恶性腹水样本和一个脑脊液样本的肿瘤细胞和肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)。通过将这些数据与M1型和M2型巨噬细胞的参考转录组进行比较，发现胃癌恶性腹水中获得的巨噬细胞具有非炎性特征。利用公共数据集证实了单细胞转录组鉴定的M2型巨噬细胞的特异性特征与胃癌预后不良相关。数据表明，TAMs的抗炎特性是由肿瘤细胞控制的，靶向癌细胞和巨噬细胞的联合治疗可能会产生相互协同效应[20](图9)。

图9. 恶性腹水中癌细胞和巨噬细胞促进肿瘤的相互作用[20]

与癌旁组织相比，肿瘤组织耗竭CD8+T细胞的转录因子IRF8表达下调，并且胃癌病人血液CD8+T细胞中IRF8水平也较低，预示着IRF8与胃癌中CD8+T细胞的耗竭相关。结果表明研发胃癌的新型免疫治疗干预措施，针对性地增强肿瘤相关NK细胞、DC细胞和巨噬细胞的功能，可能是改善胃癌免疫治疗预后的着力点[21]。

单细胞数据库SynEcoSys™，囊括了胃组织在内的多种器官中完整的细胞类型及其对应marker基因，收录多种癌症相关公共数据集，通过自有的细胞因子知识库辅助构建细胞通讯网络，助力肿瘤发生发展机制研究，可以为单细胞测序数据的挖掘和临床意义解读提供专业的技术支持和服务。

参考文献

[1] Kim TH et al., Stomach development, stem cells and disease. Development. 2016

[2] Yaser Greish et al., Biodegradable Scaffolds for Gastric Tissue Regeneration. 2017

[3] Han et al., Defining the Identity and Dynamics of Adult Gastric Isthmus Stem Cells, Cell Stem Cell 2019

[4] Busslinger GA et al., Human gastrointestinal epithelia of the esophagus, stomach, and duodenum resolved at single-cell resolution. Cell Rep. 2021

[5] Engevik AC et al., The Physiology of the Gastric Parietal Cell. Physiol Rev. 2020

[6] Willet SG, Mills JC. Stomach Organ and Cell Lineage Differentiation: from Embryogenesis to Adult Homeostasis. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 2016

[7] Choi E et al., Dynamic expansion of gastric mucosal doublecortin-like kinase 1-expressing cells in response to parietal cell loss is regulated by gastrin. Am J Pathol. 2015

[8] Ruppert AL et al., Advillin is a tuft cell marker in the mouse alimentary tract. J Mol Histol. 2020

[9] Stange DE et al., Differentiated Troy+ chief cells act as reserve stem cells to generate all lineages of the stomach epithelium. Cell. 2013

[10] Burclaff J et al., Proliferation and Differentiation of Gastric Mucous Neck and Chief Cells During Homeostasis and Injury-induced Metaplasia. Gastroenterology. 2020

[11] Bockerstett KA et al., Single-cell transcriptional analyses of spasmolytic polypeptide-expressing metaplasia arising from acute drug injury and chronic inflammation in the stomach. Gut. 2020

[12] Leushacke M et al., Lgr5-expressing chief cells drive epithelial regeneration and cancer in the oxyntic stomach. Nat Cell Biol. 2017

[13] Xiao S, Zhou L. Gastric Stem Cells: Physiological and Pathological Perspectives. Front Cell Dev Biol. 2020

[14] Choi E et al.,Cell lineage distribution atlas of the human stomach reveals heterogeneous gland populations in the gastric antrum. Gut. 2014

[15] Bockerstett KA et al., Single-Cell Transcriptional Analyses Identify Lineage-Specific Epithelial Responses to Inflammation and Metaplastic Development in the Gastric Corpus. Gastroenterology. 2020

[16] Zhang P et al.,Dissecting the Single-Cell Transcriptome Network Underlying Gastric Premalignant Lesions and Early Gastric Cancer. Cell Rep. 2019

[17] Sathe A et al., Single-Cell Genomic Characterization Reveals the Cellular Reprogramming of the Gastric Tumor Microenvironment. Clin Cancer Res. 2020

[18] Zhang M et al., Dissecting transcriptional heterogeneity in primary gastric adenocarcinoma by single cell RNA sequencing. Gut. 2021

[19] Wang R et al., Single-cell dissection of intratumoral heterogeneity and lineage diversity in metastatic gastric adenocarcinoma. Nat Med. 2021

[20] Eum HH et al., Tumor-promoting macrophages prevail in malignant ascites of advanced gastric cancer. Exp Mol Med. 2020

[21] Fu K et al., Single-cell RNA sequencing of immune cells in gastric cancer patients. Aging (Albany NY). 2020

- THE END -