食管癌是世界上最具侵襲性和致命性的惡性腫瘤之一，主要分為兩個(gè)亞型：食管鱗癌（Esophageal squamous cell carcinoma, ESCC）和食管腺癌（Esophageal adenocarcinoma, ESCA）。食管鱗狀上皮癌前病變（Esophageal squamous precancerous lesions, ESPL）是ESCC的前體病變，表現(xiàn)出從正常上皮（NE）到低級(jí)別（LGIN）和高級(jí)別（HGIN）上皮內(nèi)瘤變的進(jìn)展，最終發(fā)展為浸潤(rùn)性癌。一份長(zhǎng)達(dá)13.5年的隨訪數(shù)據(jù)表明，較高級(jí)別的上皮內(nèi)瘤變與ESCC發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)明顯相關(guān)。目前，尚不明確哪些階段的ESPL最終會(huì)發(fā)展成ESCC，因此需要找到與ESPL進(jìn)展為ESCC相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，以進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)防。

2023年8月8日，鄭州大學(xué)董子鋼教授團(tuán)隊(duì)和李翔教授團(tuán)隊(duì)合作在《Nature Communications》雜志在線發(fā)表了題為“Spatial transcriptomics analysis of esophageal squamous precancerous lesions and their progression to esophageal cancer”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，TAGLN2和CRNN異常表達(dá)與食管狀上皮癌前病變向食管鱗癌進(jìn)展相關(guān)，并有望成為食管癌早期干預(yù)標(biāo)志物。
 

圖片來(lái)源：《Nature Communications》
（https://www.nature.com/articles/s41467-023-40343-5）

研究材料
在體內(nèi)研究中，研究人員構(gòu)建了食管鱗癌PDX模型（其中CB17-SCID雌性免疫缺陷小鼠由賽業(yè)生物提供），皮下接種瘤塊后，每周兩次瘤內(nèi)注射相應(yīng)的慢病毒，觀察基因敲低或過(guò)表達(dá)對(duì)腫瘤生長(zhǎng)的影響。

研究方法
作者采用了空間全轉(zhuǎn)錄組圖譜（WTA）、主成分分析（PCA）和差異表達(dá)基因分析（DEGs）等生物信息學(xué)技術(shù)，以及免疫組化染色（IHC）、WB、qPCR、MTT、克隆形成、類(lèi)器官和PDX模型等體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

技術(shù)路線
01差異性表達(dá)基因的篩選：通過(guò)空間全轉(zhuǎn)錄組圖譜（WTA）、主成分分析（PCA）和差異表達(dá)基因分析（DEGs）篩選ESPL發(fā)展為ESCC過(guò)程顯著變化的基因。

02候選基因的確定和驗(yàn)證：采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)一步確定潛在候選基因，并通過(guò)IHC染色驗(yàn)證候選基因與ESCC進(jìn)展的相關(guān)性。

03候選基因的調(diào)控機(jī)制研究：通過(guò)細(xì)胞增殖分析、集落形成測(cè)定和體內(nèi)研究探究候選基因?qū)�ESCC增殖的影響，及對(duì)正常食管細(xì)胞向惡性細(xì)胞轉(zhuǎn)變的作用。

研究結(jié)果
1.ESPL階段處于免疫抑制狀態(tài)，該狀態(tài)可能會(huì)減弱抗腫瘤免疫應(yīng)答，從而促進(jìn)ESCC的腫瘤發(fā)生
在該研究中，作者首先從生物過(guò)程、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、異常代謝途徑、異常信號(hào)傳導(dǎo)途徑和免疫相關(guān)途徑等方面對(duì)ESPL以及ESCC進(jìn)行了分析（圖1 a, b）。研究發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞和M2巨噬細(xì)胞及調(diào)節(jié)T細(xì)胞（Treg）在LGIN和HGIN階段豐度增加，M1巨噬細(xì)胞減少（圖2 c-g），表明ESPL階段處于免疫抑制狀態(tài)，這可能會(huì)引起抗腫瘤免疫應(yīng)答減弱，從而促進(jìn)ESCC的腫瘤發(fā)生。主成分和差異表達(dá)基因（DEGs）分析以及各階段信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路變化顯示，類(lèi)癌樣改變主要始于HGIN階段，提示患有高ESCC風(fēng)險(xiǎn)的LGIN患者應(yīng)盡早治療。

圖1 ESPL狀態(tài)分析^[1]

2.候選基因的篩選
研究中發(fā)現(xiàn)一些DEGs在正常食管上皮細(xì)胞到ESCC的疾病進(jìn)展過(guò)程中呈現(xiàn)逐步增加或減少的趨勢(shì)，這類(lèi)基因很可能參與了ESCC的發(fā)展進(jìn)程。該研究團(tuán)隊(duì)采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法篩選出潛在的與ESCC進(jìn)展相關(guān)的候選基因，包括TAGLN2，CRNN，KRT16，KRT17和MAL（圖2 a-d）。免疫組化染色（IHC）檢測(cè)結(jié)果顯示TAGLN2和KRT16的蛋白水平在ESCC的進(jìn)展過(guò)程中顯著增加，而CRNN的蛋白表達(dá)水平則降低（圖3 e），KRT17和MAL表達(dá)在各階段均無(wú)顯著性差異。另外，該團(tuán)隊(duì)對(duì)同一病人由LGIN進(jìn)展成HGIN及HGIN進(jìn)展成ESCC前后配對(duì)的組織樣本進(jìn)行分析，結(jié)果顯示與進(jìn)展前的樣本相比，進(jìn)展后的組織樣本中TAGLN2蛋白水平顯著增加，而CRNN的表達(dá)減少（圖3 a-d），KRT16在進(jìn)展前后無(wú)顯著差異，進(jìn)一步證實(shí)了TAGLN2和CRNN與ESCC進(jìn)展的相關(guān)性。因此，作者選擇TAGLN2和CRNN開(kāi)展下一步研究。
 

圖2 用于ESPL診斷和預(yù)測(cè)ESCC風(fēng)險(xiǎn)的潛在指標(biāo)篩選^[1]
 

圖3 驗(yàn)證候選基因與ESCC進(jìn)展的相關(guān)性^[1]

3.候選基因在ESCC進(jìn)展中的作用機(jī)制
該團(tuán)隊(duì)通過(guò)細(xì)胞增殖、克隆形成、類(lèi)器官和人源性組織異種移植（PDX）等體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)分析了候選基因在ESCC進(jìn)展中的作用機(jī)制。在體內(nèi)研究中，研究人員構(gòu)建了食管鱗癌PDX模型（其中CB17-SCID雌性免疫缺陷小鼠由賽業(yè)生物提供），在小鼠皮下接種瘤塊后，每周兩次瘤內(nèi)注射相應(yīng)的慢病毒，觀察基因敲低或過(guò)表達(dá)對(duì)腫瘤生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，敲低TAGLN2或過(guò)表達(dá)CRNN會(huì)抑制食管鱗癌細(xì)胞系、類(lèi)器官和PDX腫瘤的生長(zhǎng)（圖4）。在對(duì)正常食管上皮細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)，TAGLN2促進(jìn)了正常細(xì)胞向惡性細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，而CRNN抑制了這種轉(zhuǎn)化。
 

圖4 候選基因在ESCC進(jìn)展中的作用^[1]

研究結(jié)論
總的來(lái)說(shuō)，TAGLN2通過(guò)調(diào)控細(xì)胞增殖促進(jìn)ESCC的進(jìn)展，而CRNN則通過(guò)對(duì)細(xì)胞增殖的調(diào)控抑制ESCC的進(jìn)展。TAGLN2和CRNN有望作為ESPL向ESCC進(jìn)展的潛在風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，有助于ESCC的預(yù)防和早期干預(yù)。該研究表明應(yīng)該對(duì)食管癌前病變TAGLN2和CRNN異常表達(dá)的高危人群進(jìn)行早期干預(yù)，為食管癌的精準(zhǔn)預(yù)防提供了新思路。

原文檢索：
[1]Liu X, Zhao S, Wang K, Zhou L, Jiang M, Gao Y, Yang R, Yan S, Zhang W, Lu B, Liu F, Zhao R, Liu W, Zhang Z, Liu K, Li X, Dong Z. Spatial transcriptomics analysis of esophageal squamous precancerous lesions and their progression to esophageal cancer. Nat Commun. 2023 Aug 8;14(1):4779.