Single-cell transcriptional atlas of tumor-associated macrophages in breast cancer
文献概述 巨噬细胞占TME中非恶性细胞总量的近一半。巨噬细胞根据其极化可分为M1和M2巨噬细胞。M1巨噬细胞通过Toll样受体配体和 I 型细胞因子（包括TNF-α和IFN-γ的 I 型免疫反应被激活。一旦被激活，M1 巨噬细胞将分泌促炎细胞因子，如 IFN、IL-12和IL-23，由于抗原呈递能力和促炎特性，M1型被认为是抗肿瘤巨噬细胞。而M2巨噬细胞被细胞因子IL-4、IL-13和免疫复合物激活，诱导辅助性 T 细胞 2 （Th2） 型反应并产生TGF-β 和其他促纤维化因子，从而有可能促进肿瘤进展 。
背景： 巨噬细胞作为肿瘤微环境 （TME）中含量最丰富的免疫细胞，被恶性细胞募集并发生表型重塑。肿瘤相关巨噬细胞 （TAM） 表现出多种亚型和功能，在影响肿瘤免疫方面发挥着重要作用。然而，它们的精确亚型描述和特定功能仍未充分定义。
方法： 研究纳入了来自 8 名具有不同分子亚型和分期的乳腺癌患者的 49,141 个细胞的scRNA-seq 数据集 （GSE167036，GSE248288验证）。采用无监督聚类和手动细胞注释对 TAM 亚型进行准确分类。然后进行了功能分析并构建了TAM亚型的发育轨迹。随后使用内皮细胞 （EC） 和 T 细胞作为关键节点，探索 TAM 亚型在 TME 内细胞间通讯网络中的作用。
结果及结论： TAM分为7个亚型，显示出抗肿瘤或促肿瘤作用。①首次确定了一种能够在乳腺癌中增殖和扩增的新TAM亚型——TUBA1B TAMs，在TAMs多样性和肿瘤进展中起关键作用。②发育轨迹说明了TAM如何在TME中重塑并发生表型和功能变化，TUBA1B TAMs 处于初始点。③在乳腺癌的不同分子亚型和分期中主要的TAM亚型不同。④细胞间通讯网络显示TAMs通过直接调节内在免疫、通过 T 细胞间接调节适应性免疫以及通过 ECs 影响肿瘤血管生成和淋巴管生成来发挥作用。
文献内容 1. 人乳腺肿瘤组织的单细胞转录组图谱 研究包括来自10X Genomics平台的 8 名未经治疗的乳腺癌管腔 A 、管腔 B和HER2亚型患者的原发性肿瘤组织的单细胞数据。对8个样本的49,141个单细胞聚类得到35个细胞亚群。
T 细胞 （n = 16,033）(CD3D 和 CD3E) 所有10种主要细胞类型都存在于8例患者的肿瘤组织中。根据不同亚型和肿瘤进展，10种主要细胞类型的浸润分级各不相同。
2.TAMs 在人乳腺癌 TME 中的特征 对髓系细胞进行了 无监督聚类 。然后将所有髓系细胞重聚类为11个亚群。
TUBA1B TAM（n = 274）(TUBA1B)TUBA1B TAMs通过与转录、翻译和有丝分裂相关的通路的富集来推断在细胞增殖和发育中表现出影响。从热图可以看到TUBA1B TAMs高表达 HMGB1 ，在募集炎症细胞中发挥作用，证明TUBA1B TAMs的促炎功能。此外，与血管生成、白细胞趋化性和癌症转移高度相关的缺氧反应通路和Slit/Robo 通路显著上调，表明TUBA1B TAM具有促肿瘤潜力。因此，具有增殖和发育潜力的TUBA1B TAMs也表现出促肿瘤作用。
不同亚群的功能。
3.TAM亚型对乳腺癌分子亚型和进展表现出特异性 7种TAM亚型的比例在各种乳腺癌分子亚型和8例患者的分级中有所不同。TUBA1B TAMs 、C1QC TAMs和IL1B TAMs在早期肿瘤中占主导地位，表明通过TUBA1B TAMs的扩增和发育功能以及C1QC TAMs和IL1B TAMs的抗肿瘤作用在肿瘤发生的早期发挥关键作用。而VCAN TAMs 、SLC40A1 TAMs和APOC1 TAMs在晚期癌症患者中的比例更高，可能通过其促肿瘤作用参与肿瘤进展。CXCL11 TAMs的比例在乳腺癌的不同分子亚型和分期之间没有显著差异，这可能是由于其在肿瘤免疫中的双重作用。
4.TAMs在人类乳腺癌TME中的发育轨迹 无监督的拟时序轨迹中，TUBA1B TAM位于轨迹曲线的起始点。细胞骨架基因高表达的 TUBA1B TAM展示了其扩增和发育潜力。因此，推断TUBA1B TAM是其他TAM的潜在来源。分支为VCAN TAM和APOC1 TAM。
TAMs 的细胞密度也沿发育轨迹变化。TUBA1B TAMs 最初占主导地位，随后下降。同时，其他TAM的细胞密度增加，表明TUBA1B TAMs可能转化为其他TAM。此外，表现出抗肿瘤作用的C1QC1 TAMs在 psudotime 的早期起着至关重要的作用。在拟时序结束时，SLC40A1 TAMs和APOC1 TAMs开始发挥促肿瘤作用。表明在乳腺癌TME中，主要 TAM亚型随着psudotime从抗肿瘤表型转变为促肿瘤表型。
接下来探讨了基因表达如何从初始状态转变为两种不同的细胞命运。无监督聚类将DEG分为六个聚类，TUBA1B TAMs向VCAN TAMs的转变涉及三个模块 - 细胞活化和血管生成、p53类介质的翻译过程和信号转导，以及细胞粘附和细胞表面受体信号通路。TUBA1B TAMs向 APOC1 TAMs的转变由三个不同的模块表征 - 水解酶活性和细胞形状改变的调节、细胞活化和脂质代谢，以及脂蛋白代谢和脂质定位。
5.TME中TAM和其他细胞的细胞间通信网络 EC和T细胞与TAM表现出明显的交互作用。
6.ECs 的特征以及与 TAM 的细胞间相互作用 ECs 的无监督聚类确定了5个EC亚型。EC-C1表现出动脉特性的高表达（ HEY1 、 IGFBP3 、 CXCL12 ），EC-C2表现出毛细血管特征（ CD36 、 CA4 ），EC-C3表现出静脉特性（ ACKR1 、 VCAM1 ），EC-C4表达淋巴特征（ CCL21 、 PROX1 ）和EC-C5表现出血管生成特性 （ KDR 、 VWA1 ）。
7.T细胞和细胞间细胞与TAM相互作用的特征 T 细胞细分为8群，以 CCR7 和抗炎标志物 ANXA1 高表达为特征的CD4-C1被定义为中枢记忆 T 细胞。
CD4-C2表达FOS家族基因FOS和FOSB以及细胞毒性标志物GZMK和GZMA水平升高。TAMs 和 CD4 T 细胞之间的相互作用分为 4 组 - 趋化因子及其受体在浸润中的作用、T 细胞功能和适应性免疫的调节、Tregs 对免疫逃避的调节以及对 T 细胞功能的影响。TAMs 普遍表达趋化因子，包括CCL20、CXCL9和CXCL16，而相应的趋化因子受体在 CD4 T细胞中高度表达。TAM广泛促进 CD4 T 细胞的浸润。
TAMs 和 CD8 T 细胞之间的细胞间通讯也分为 4 类——趋化因子及其受体在浸润中的作用、促进抗肿瘤免疫、抑制抗肿瘤免疫和对 T 细胞功能的影响。
8.临床数据揭示的 TAMs 对肿瘤预后的影响 8 名患者的临床数据表明，TUBA1B TAMs、C1QC TAMs 和 IL1B TAMs 在早期肿瘤中起重要作用，而 VCAN TAM、SLC40A1 TAMs 和 APOC1 TAMs 在晚期肿瘤中占主导地位。使用TCGA BRCA数据集中未接受内分泌治疗或化疗的患者进行了生存分析。C1QC TAMs和IL1B TAMs水平高的患者与OS较好相关，而TUBA1B TAMs、CXCL11 TAMs、VCAN TAM、SLC40A1 TAMs和APOC1 TAMs水平高的患者与OS较差相关。
9.由其他公开可用的独立 scRNA 数据集验证的 TAM 的特征 与早期的研究结果一致，TUBA1B TAMs位于发育轨迹的初始分支，分支为两个细胞命运终点——VCAN TAMs和 APOC1 TAM，证实了之前的结论。
总结 使用特异性标记基因在乳腺癌TME中确定了7种不同的TAM亚型。一个关键发现是鉴定出具有增殖和发育能力的 TAM 亚型，其特征是 TUBA1B 的表达编码一种称为Tubulin alpha 1b的蛋白质，参与细胞骨架形成。发育轨迹分析将 TUBA1B TAM 确定为起点。随着 psudotime 的出现，它转变为 VCAN TAMs 和 APOC1 TAM，发生形态和功能变化。 通过富集分析和与TME中其他细胞的通信网络，阐明了这些TAM的生物学功能，揭示了它们在肿瘤抑制或促进中的潜在作用。 通过TCGA BRCA数据集中的OS分析TAMs的临床相关性，产生了有希望的结果。
