Cell DIVE應用：基于空間蛋白組學建立結腸癌預后推斷新方法

張覺超

新技術的誕生往往會為行業(yè)的發(fā)展做出一些貢獻。今天，我們通過解讀匹茲堡大學Cell DIVE^TM用戶在《Nature Communication》雜志上發(fā)表的題為“Spatial domain analysis predicts risk of colorectal cancer recurrence and infers associated tumor microenvironment networks"的研究論文^[1]，感受一下徠卡Cell DIVE^TM給予結腸癌預后推斷方法革新的“推背力"。

研究背景

結直腸癌（Colorectal Cancer，CRC）是三大癌癥類型之一，占癌癥相關死亡人數(shù)的第二位（圖1）^[2]。雖然CRC患者采用成熟的TNM分型進行分期和治療，但腫瘤的異質性導致相同分型結腸癌患者的預后大相徑庭。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，相當比例的CRC患者術后1-2年出現(xiàn)癌癥復發(fā)和轉移，進而生命健康受到危害^[2]。而術后積極復查并進行鞏固治療則能夠避免結腸癌復發(fā)風險。隨著對CRC研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)CRC異質性在腫瘤微環(huán)境中有所體現(xiàn)，并與患者預后存在相關性^[3]。針對這一發(fā)現(xiàn)，人們利用腫瘤分子表型、腫瘤微環(huán)境組成和腫瘤內T細胞浸潤等指標進行結腸癌預后預測和判斷方法的建立^[4]。近年來，已有一些結腸癌預后判斷的方法被提出（如Immunoscore®等）。但現(xiàn)有的預后推斷方法多基于傳統(tǒng)病理技術，被單次檢測標記抗體的數(shù)量所限制，無法做到多指標和空間信息兼顧的全面檢測，導致CRC預后推斷方法的開發(fā)遭遇瓶頸。多重標記免疫組化技術的發(fā)展幫助我們突破了這一限制。今天我們關注這篇文章的作者就是利用了徠卡Cell DIVE^TM超多標組織成像分析技術實現(xiàn)了CRC預后推斷新方法——計算分析與系統(tǒng)生物學平臺（analytics computational and systems biology platform，SpAn平臺）的建立。

圖1 不同種類癌癥新增病例和死亡比例統(tǒng)計圖（2018年）^[2]

研究簡述

文章的作者在Cell DIVE^TM開發(fā)階段就關注了其前身技術（MultiOmyx技術）在CRC微環(huán)境檢測方面的潛力，并在Cell DIVE^TM上市后，第一時間將其用于CRC預后推斷方法的開發(fā)。在Cell DIVE^TM的幫助下，作者非常輕松的完成了實驗設計中的抗體選擇環(huán)節(jié)。作者從Cell DIVE^TM認證的400余種抗體的資源庫中選取了55個生物標志物作為檢測目標：其中包括常見的上皮、免疫和基質細胞譜系及分類標記分子，還包括與CRC分型相關信號通路中的關鍵蛋白、胞外運輸和代謝相關的分子標記、腫瘤抑制能力相關的功能蛋白、癌基因相關的生物標志、細胞粘附相關蛋白、細胞和基質結構相關的分子標記、細胞類型及其狀態(tài)相關的特征分子等。

隨后，作者利用Cell DIVE^TM成像儀對美國Clearview癌癥研究所收集到的432例TNM分期在I至III期CRC患者的組織微陣列樣本進行超多標熒光免疫組化成像（圖2），并利用Cell DIVE^TM配套分析軟件完成不同腫瘤區(qū)域的自動識別（圖3）。根據(jù)組織結構特異性標記分子將腫瘤微環(huán)境分為上皮區(qū)域、間質區(qū)域及上皮-間質區(qū)域（上皮和間質交界處100 μm的間質和惡性上皮細胞相互作用緊密區(qū)域）。

圖3 結腸癌組織區(qū)域自動識別及標志物相關性分析

自動分區(qū)完成后，作者展開已檢測的55種標志物的相關性分析，并通過遞歸運算從中找出一系列預后判定標志物（圖4）。

圖4 SpAn腫瘤微環(huán)境區(qū)域特異標志物分析

接下來，作者通過人工智能學習把標志分子表達模式和腫瘤微環(huán)境空間信息結合，開發(fā)出CRC預后推斷運算模型SpAn平臺，從而成功地將CRC患者分為術后高復發(fā)風險組和低復發(fā)風險組（圖5）。與以往的CRC預后推斷方法不同，SpAn平臺不需要額外輸入患者表型數(shù)據(jù)，可以*根據(jù)腫瘤微環(huán)境的空間蛋白組學信息進行預后推斷。

圖5 SpAn平臺5年CRC復發(fā)風險生存曲線檢驗

最后，SpAn平臺與已有的CRC預后推斷方法對比表明，SpAn預測CRC患者5年復發(fā)風險的平均AUROC為88.5%（SE=0.1），顯著優(yōu)于目前的方法。相信在不遠的將來，SpAn平臺能幫助醫(yī)療工作者為CRC患者精準地制定術后鞏固治療方案。

Cell DIVE^TM “解密"

回顧SpAn平臺的建立，Cell DIVE^TM技術對組織微環(huán)境的超多標成像和分析功不可沒。下面有請功臣“閃亮登場"：

Cell DIVE^TM超多標組織成像分析整體解決方案，從上游的樣品制備，到染色成像，再到下游的數(shù)據(jù)分析，能夠提供一整套實驗解決方案，突破傳統(tǒng)H&E染色、免疫組化和傳統(tǒng)免疫熒光10個biomarkers以內的限制，實現(xiàn)一張腫瘤組織切片上超過60個biomarkers的定性與定量分析，從單細胞水平的層面上，對腫瘤微環(huán)境進行空間信息挖掘，助力腫瘤免疫治療的研究。

當然，如果您還想了解Cell DIVE^TM的更多優(yōu)點，敬請關注公眾號近期的相關文章。

了解更多：徠卡顯微

參考文獻

[1] Uttam S, Stern A M, Sevinsky C J, et al. Spatial domain analysis predicts risk of colorectal cancer recurrence and infers associated tumor microenvironment networks. Nature Communications, 2020, 11(1).

[2] Freddie, Bray, Jacques, et al. Global cancer statistics 2018: GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA: a cancer journal for clinicians, 2018.

[3] Guinney J, Dienstmann R, Wang X, et al. The consensus molecular subtypes of colorectal cancer. Nature medicine, 2015, 21(11):1350-1356.

[4] F Pages, Mlecnik B, F Marliot, et al. International validation of the consensus Immunoscore for the classification of colon cancer: a prognostic and accuracy study. Lancet, 2018, 391: 2128–2139.

[5] Gerdes MJ, Sevinsky CJ, Sood A, et al. Highly multiplexed single-cell analysis of formalin-fixed, paraffin-embedded cancer tissue. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2013, 110(29).