纖維/缺氧/糖酵解預(yù)測模型為頭頸癌患者提供更好的預(yù)后風(fēng)險評估

Investigation of an FGFR-Signaling-Related Prognostic Model and Immune Landscape in Head and Neck Squamous Cell Carcinoma

頭頸部鱗狀細(xì)胞癌中與FGFR信號相關(guān)的預(yù)后模型和免疫景觀研究

發(fā)表期刊:Front Cell Dev Biol

發(fā)表日期:2022 Feb 14

影響因子:6.081

DOI:? 10.3389/fcell.2021.801715

一、研究背景

????????頭頸部鱗狀細(xì)胞癌(HNSCC)在世界范圍內(nèi)的發(fā)病率每年超過60萬例,包括一組異質(zhì)性的腫瘤,產(chǎn)生于口腔、口咽、喉、下咽、鼻咽和鼻竇腔。

????????成纖維細(xì)胞生長因子受體(FGFR)是一種受體酪氨酸激酶(RTK)信號通路,參與調(diào)節(jié)腫瘤的血管生成、侵襲和轉(zhuǎn)移。它被認(rèn)為是纖維化發(fā)展的一個促進(jìn)因素,引起肝臟纖維化的加劇,系統(tǒng)性硬化(SS),特發(fā)性肺纖維化(IPF)等。

????????缺氧作為腫瘤的一個標(biāo)志,是一個強有力的微環(huán)境因素,促進(jìn)各種癌癥的增殖和進(jìn)展。以前的研究表明,缺氧的HNSCC細(xì)胞觸發(fā)糖酵解以獲得能量,平衡代謝和生物能量。此外,激活的成纖維細(xì)胞合成了過多的膠原蛋白,導(dǎo)致了缺氧的微環(huán)境,這可能會惡化疾病的進(jìn)展。

二、材料與方法

1、數(shù)據(jù)來源

1) TCGA:483名HNSCC患者

2) GEO:RNA-seq數(shù)據(jù)和相關(guān)的臨床病理數(shù)據(jù)(GSE41613),包括97名HPV陰性口腔鱗狀細(xì)胞癌(OSCC)患者;一個單細(xì)胞RNA測序(scRNA-seq)數(shù)據(jù)集(GSE139324)被用于分析HNSCC患者的腫瘤免疫浸潤,包括來自18個HNSCC患者的腫瘤浸潤免疫細(xì)胞和來自5個健康供體扁桃體的組織常駐免疫細(xì)胞

2、分析流程

流程圖

三、實驗結(jié)果

01 - HNSCC中的纖維化信號和與纖維化相關(guān)的DEGs

????????從TCGA數(shù)據(jù)庫下載的發(fā)現(xiàn)隊列中包含483名HNSCC患者的表達(dá)譜和臨床信息。70個與FGFR信號通路正相關(guān)的基因被用來評估患者的纖維化信號激活狀況。基于UMAP算法,作者利用纖維化相關(guān)的表達(dá)矩陣將患者分為兩個群組,能夠?qū)⒚總€患者分配到最近的群組(圖2A)。KM圖表明,兩個簇之間生存期存在顯著差異(圖2B)。分別有309名和176名患者被納入群組1和2。

????????為了獲得纖維化相關(guān)的DEGs,比較了兩個集群之間的表達(dá)譜。共有187個纖維化相關(guān)的DEGs在集群1中過度表達(dá),其中患者的生存率較低,這些DEGs富集在 "對創(chuàng)傷的反應(yīng)"(圖2C)和 "TGF-beta信號通路"(圖2D)。這意味著群集1中的患者處于較高的纖維化激活狀態(tài)。富集分析顯示,群集2中過量表達(dá)的186個DEGs富集在 "免疫球蛋白復(fù)合物"(圖2E)、"異生物細(xì)胞色素P450的代謝"(圖2F)。這些發(fā)現(xiàn)與以前的研究一致,即免疫狀態(tài)好的患者預(yù)后更好。

圖2 根據(jù)FGFR信號通路對患者進(jìn)行分組

02 - HNSCC的缺氧狀態(tài)、糖酵解狀態(tài)和缺氧-糖酵解相關(guān)的DEGs

????????利用 "GSVA "軟件包,實施ssGSEA算法,量化每個HNSCC患者在MSigDB中的缺氧或糖酵解標(biāo)志基因的富集分?jǐn)?shù)。為了確定缺氧和糖酵解對預(yù)后的影響,進(jìn)一步在患者的缺氧和糖酵解得分中進(jìn)行單變量Cox回歸分析。如圖3A的森林圖所示,低氧和糖酵解被認(rèn)為是HNSCC患者預(yù)后的危險因素。基于最大選擇的秩統(tǒng)計,根據(jù)缺氧(圖3B)和糖酵解(圖3C)得分將患者分為兩組。進(jìn)一步將缺氧和糖酵解狀態(tài)綜合為一個二維指數(shù),將患者分為三組,即缺氧高/糖酵解高、缺氧低/糖酵解低和"混合 "組。三組之間的存活率有明顯的差異(圖3D)。生存分析(KM)顯示,低氧/高糖組的存活率高于低氧/低糖組(圖3E)。除此之外,混合組處于一個中間水平。在比較低氧/低糖和低氧/低糖之間的表達(dá)譜后,共得到108個低氧-糖酵解相關(guān)的DEGs。

圖3 根據(jù)患者的缺氧和糖酵解狀態(tài)進(jìn)行分組

03 - 在TCGA數(shù)據(jù)集中構(gòu)建纖維化-缺氧-糖酵解相關(guān)的預(yù)后模型

????????將上述從HNSCC中篩選出的334個纖維化相關(guān)和108個缺氧-糖酵解相關(guān)的DEGs取交集,得到39個共有基因(圖4A)。為了進(jìn)一步篩選出預(yù)后性DEGs,對39個DEGs進(jìn)行單變量Cox回歸分析,發(fā)現(xiàn)21個P<0.05的DEGs(圖4B)。其中,大部分是風(fēng)險DEGs。用LASSO回歸方法從上述21個預(yù)后DEGs中選出6個關(guān)鍵變量,其中4個是風(fēng)險DEGs,2個是保護(hù)性的(圖4C,D)。對于每個HNSCC患者,根據(jù)6個特征性DEGs的表達(dá)水平和LASSO Cox回歸的相應(yīng)系數(shù)計算出風(fēng)險分?jǐn)?shù):風(fēng)險分?jǐn)?shù)=0.0369 × AREG的表達(dá)+ 0.03432 × THBS1的表達(dá)+ 0.02182 × SEMA3C的表達(dá)+ 0.07125 × ANO1的表達(dá)+(-0.07718)× IGHG2的表達(dá)+(-0.09177)× EPHX3的表達(dá)。使用最大選擇等級法作為劃分依據(jù),根據(jù)風(fēng)險評分將患者分為高風(fēng)險組和低風(fēng)險組(圖4E)。與高危組相比,低危組對預(yù)后的影響明顯更好(圖4F)。

圖4 構(gòu)建HNSCC患者的預(yù)后生存模型

????????作者對483名HNSCC患者進(jìn)行了生存分析,根據(jù)原發(fā)腫瘤的位置進(jìn)行重組,試圖驗證預(yù)后模型的可靠性。在幾個HNSCC高發(fā)區(qū),如舌頭和喉部(圖5B,D),生存期比較顯示,高危組與患者的預(yù)后較差有關(guān)。扁桃體、下咽等也是如此(圖5A,C)。單變量Cox回歸分析表明,風(fēng)險評分與其他臨床特征(如年齡)相似,可被視為評估HNSCC患者預(yù)后的一個獨立風(fēng)險因素(圖5E)。此外,ssGSEA被用來估計患者的免疫細(xì)胞浸潤情況。為了探索預(yù)后模型和免疫細(xì)胞浸潤之間的相關(guān)性,對六個最佳預(yù)后特征和免疫細(xì)胞浸潤評分進(jìn)行了相關(guān)分析(圖5F)。此外,與低風(fēng)險組相比,在高風(fēng)險組中觀察到八種特定的免疫細(xì)胞浸潤明顯減少,即活化的B細(xì)胞、未成熟的B細(xì)胞、活化的CD4 T細(xì)胞、活化的CD8 T細(xì)胞、效應(yīng)記憶CD8 T細(xì)胞、MDSCs和肥大細(xì)胞(圖5G)。

圖5

????????基于纖維化-缺氧-糖酵解的預(yù)后模型在一個獨立隊列 "GSE41613 "中得到進(jìn)一步驗證。在97名OSCC患者的表達(dá)矩陣中搜索預(yù)后模型中的6個基因,發(fā)現(xiàn)了其中的5個基因。單變量Cox回歸分析證實,AREG、THBS1、SEMA3C和ANO1是患者預(yù)后的危險因素。相反,EPHX3是一個保護(hù)性的,這與之前進(jìn)行的模型一致(圖6A)。根據(jù)最大選擇等級統(tǒng)計,根據(jù)每個基因的表達(dá)水平將患者分為兩組(圖6B,D,F,H,J),并進(jìn)行生存分析(圖6C,E,G,I,K)。KM曲線顯示,預(yù)后模型中四個風(fēng)險基因表達(dá)水平較高的患者OS較差(圖6C,E,G,I),而保護(hù)基因則相反(圖6K)。

圖6 在外部數(shù)據(jù)集中進(jìn)行驗證(GSE416130)

04 - 預(yù)后標(biāo)志物的IHC分析

????????為了進(jìn)一步驗證預(yù)后相關(guān)分子在HNSCC標(biāo)本和頭頸部正常鱗狀上皮的表達(dá),作者對HNSCC的石蠟切片進(jìn)行了IHC染色分析。IHC染色分析表明,通過抗體ab135842(圖7A-F)和ab134050(圖8A-F)的量化,SEMA3C和IGHG2在HNSCC組織中的表達(dá)略高。

????????根據(jù)HPA的蛋白表達(dá)數(shù)據(jù),比較了HNSCC組織和正常位于頭頸部的鱗狀上皮(如口腔鱗狀上皮)中六個基因簽名的蛋白表達(dá)。初步推斷,這些基因的蛋白表達(dá)在HNSCC和正常組織之間存在差異。

圖7 SEMA3C在HNSCC和正常組織中的蛋白表達(dá)的IHC分析
圖8 HNSCC和正常組織中IGHG2的蛋白表達(dá)的IHC分析

05 - 基于scRNA-Seq的HNSCC患者的纖維化相關(guān)的免疫景觀

????????為了進(jìn)一步了解纖維化信號和免疫之間的相關(guān)性,作者分析了從GEO數(shù)據(jù)集 "GSE139324 "下載的scRNA-seq數(shù)據(jù)。共有23個樣本被用于分析。其中,18個樣本是來自HNSCC患者(HPV陰性)的腫瘤浸潤免疫細(xì)胞,5個是來自健康供體扁桃體的組織駐留免疫細(xì)胞。在用和諧算法整合數(shù)據(jù)和用t-SNE算法進(jìn)行分檔后,20個細(xì)胞集群被成功分類。此外,HNSCC患者和健康供體(HD)之間每個細(xì)胞亞群的數(shù)量都有明顯的差異(圖9A)。通過幾個細(xì)胞表面和細(xì)胞內(nèi)標(biāo)志物的表達(dá),集群4和11被定義為單核細(xì)胞。群組3、9、13、14和20表達(dá)了與B細(xì)胞相關(guān)的標(biāo)記(如CD79A),其余的群組表達(dá)了與T細(xì)胞相關(guān)的基因(如CD3D)(圖9B)。在圖9C,D中,低存活率患者中高表達(dá)FGF-受體信號相關(guān)基因的細(xì)胞和高表達(dá)的DEGs被嚴(yán)重強調(diào),其中大部分在集群4和11中高表達(dá)。與健康對照組相比,患者中的單核細(xì)胞組成明顯較高(圖9E)。在HNSCC和HD之間,第4和第11群的細(xì)胞數(shù)量有明顯的差異(圖9F,G)。點陣圖的熱圖意味著所提到的基因在單核細(xì)胞中比在其他種類的免疫細(xì)胞中更富集(圖9H)。

圖9

四、結(jié)論

????????FGFR信號、缺氧和糖酵解的狀態(tài)與HNSCC患者的預(yù)后相關(guān)。上述的預(yù)后模型可能為預(yù)后預(yù)測和個體化治療提供潛在的應(yīng)用價值。

?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請聯(lián)系作者
平臺聲明:文章內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))由作者上傳并發(fā)布,文章內(nèi)容僅代表作者本人觀點,簡書系信息發(fā)布平臺,僅提供信息存儲服務(wù)。

推薦閱讀更多精彩內(nèi)容