健康细胞和肿瘤细胞，它们之间有何区别？

撰文 | 章台柳

单细胞分辨率的容积成像可用于探测完整的组织【1】，保留在其他单细胞技术中由于组织分离而丢失的空间和几何信息【2】。因此，单细胞分辨率的容积成像可在单细胞视角揭示正常器官发育和细胞功能中不同细胞类型之间的关系，以及在病理条件下，如肿瘤，这种关系是如何改变的。目前，三维图像的处理方面具有重大进展，包括核、膜分割方法以及完整人体器官中大规模的细胞核计数，但是大量的细胞亚群及其不同的形态和构型都导致精确的单细胞鉴定和分析具有困难。所以，在单细胞水平上描绘大型人体组织确切的细胞分布仍然是一个挑战。

2021年6月3日，荷兰的Anne C. Rios在Nature Biotechnology上发表了题为Revealing the spatio-phenotypic patterning of cells in healthy and tumor tissues with mLSR-3D and STAPL-3D的文章，研制了8色、多光谱、大规模单细胞分辨率3D成像技术mLSR-3D和图像分析软件STAPL-3D，可用于组织中大量单细胞分析。将该方法应用于小儿肾母细胞瘤，提取出数百万细胞的分子、空间和形态特征，重建肿瘤的空间表型模式。原位的细胞亚群分析和假时间顺序分析显示与健康胎儿肾脏相比，肾母细胞瘤展现出高度紊乱的空间分布，但细胞图谱与人类胎儿肾脏细胞非常相似。同时，鉴定出以前未报道的肿瘤特异性亚群，其具有空间嵌入或独特的形态属性。

为了从单细胞水平分析完整组织的细胞生物学和组织的异质性，研究人员开发出8种荧光组合，确保单次扫描采集期间的精确分解，而无需单独的荧光对照样品。同时开发了一种mLSR-3D成像的大容量强度均衡分析方法，确保免疫标记过程中荧光强度的平衡。经过对60多种抗体和染料的染色测试，以及最新的单细胞RNAseq数据，选择了人类胎儿肾脏（HFK）发育的早期肾原性结构的标记物、DAPI染色细胞核、Phalloidin标记F-肌动蛋白、KI67标记细胞周期。研究人员对染色方法进行探索，并在人类类器官来源的乳腺癌外植体肿瘤、体外培养的乳腺癌类器官和人类中枢神经肿瘤样本中成功实施。同时，开发了STAPL-3D的分析方法对单细胞的特征进行分析。

儿童早期肾母细胞瘤的发病率与胎儿肾脏发生的破坏有关，事实上，这些肿瘤中存在异常的胎儿细胞。研究人员对小儿肾癌——Wilms肿瘤和胎儿肾脏（HFK）进行空间表型模式的分析。HFK中，通过对2.1*106细胞X19种特征的数据矩阵进行分析，根据分子标记，同时结合形态特征和空间位置，进行亚群分析。HFK中鉴定出11中已知的细胞亚群，参与肾发生、收集系统和间质组织。而Wilms肿瘤则呈现高度紊乱的空间排布。但是能够鉴定出肾细胞样结构，主要由远端小管、输尿管芽和肾小泡/S形体（RV/SSB）细胞组成（图2f），零星含有未分化帽状间充质（CM）样细胞的细胞簇。相比于HFK，Wilms肿瘤的上皮组成出现扩增现象：输尿管芽是1.2倍，远端小管是1.6倍，而早期上皮RV/SSB则是2.8倍。假时间分析显示，肾原细胞中，早期前体细胞（CM）到既定性祖细胞（RV/SSB）具有单一轨迹，并分支成3个晚期亚群——远端小管（DT）、近端小管祖细胞/近端卷曲小管和肾小球（GL）；而Wilms肿瘤中CM向RV/SSV偏移，即该细胞亚群的细胞命运更加明确。通过分析KI67的染色情况，发现Wilms肿瘤整体呈现更高的细胞周期比率，特别是RV/SSB和CM。所以，Wilms肿瘤中RV/SSB亚群的扩增一方面来源于其自身的高增殖特性，一方面是来自于CM的转化。

为了深入研究肾母细胞瘤特有的空间表型特征，研究人员创建了一个HFK和肾母细胞瘤的联合分析，确定了六个主要反映传统肾母细胞瘤分类（上皮、间质和胚芽）的细胞簇。根据其空间表型特征，将其描述为分化和未分化上皮、胚芽、两个基质簇、一个小的肾小球细胞簇。虽然六个簇具有差异，但都含有健康的肾脏细胞和肿瘤细胞，进一步证实该肿瘤和胎儿的强烈相似性。此外，两个基质簇是，一个基质样隔室环绕上皮/胚芽簇（周围基质），而另一个位于这些结构内（内部基质）。而研究人员在周围基质中鉴定出一个肿瘤特异性亚群，细胞高表达SIX2，纺锤形，与传统的SIX2+圆形胚芽细胞不同。这或许可成为肿瘤预后的标志物，因为SIX2参与维持HFK的CM和Wilms的胚细胞的未分化和增殖状态，后者与化疗后预后不良有关。

总之，研究开发出mLSR-3D成像和STAPL-3D分析系统，前者可对组织进行8色的单扫描成像，后者可对组织中数百万个细胞进行原位分析，为研究组织发育或病理形成提供新的工具。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41587-021-00926-3

制版人：十一

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