A fibroblast–myeloid niche supports stress adapted residual oesophageal adenocarcinoma after neoadjuvant chemotherapy

기술 요약: 섬유아세포-골수구 니치(niche)는 네오아쥬반트 화학요법 후 스트레스 적응형 잔존 식도선암을 지원한다

문제 제기
치료 저항성과 재발은 식도선암(OAC)의 중대한 과제로 남아 있다. 주술기(perioperative) 화학요법(특히 FLOT 요법)은 생존율을 개선하지만, 병리적 반응은 이질적이다. 상당한 임상적 문제는 네오아쥬반트 치료 후 생존 가능한 잔존 종양 세포의 지속이며, 특히 중간 정도의 병리적 반응(TRG3)을 보이는 환자들은 조기 재발 위험이 높다. 이러한 저항성을 유도하는 기전은 명확히 정의되지 않았으며, 비유전적 전사 가소성(transcriptional plasticity)과 종양 미세환경(Tism)이 종양 유전체와 함께 역할을 한다는 증거가 있다. 이전 연구들은 구별되는 세포 구획과 악성 상태를 확인했으나, 잔존 암세포가 화학요법에서 살아남기 위해 기질 및 면역 성분과 어떻게 상호작용하는지에 대한 공간적으로 해상도 높은 이해는 부족한 실정이다.

방법론
본 연구는 단일 세포/단일 핵 전사체학과 고차원 공간 전사체학을 결합한 통합 멀티오믹스 접근 방식을 채택하였다:

1. 통합 단일 세포 아틀라스: 저자들은 일차 식도선암 종양 및 정상 식도로부터 얻은 세 가지 발표된 단일 세포 및 단일 핵 RNA 시퀀싱 데이터셋(총 125,000개 이상의 세포)을 통합하였다. 이를 통해 상피, 기질, 내피 및 면역 구획을 아우르는 통일된 참조 아틀라스를 구축하였다.
2. 악성 프로그램 발견: 통합된 암세포 데이터에 대해 합의 비음수 행렬 분해(consensus non-negative matrix factorisation, cNMF)를 사용하여 다섯 가지의 안정적이고 재발하는 악성 전사 프로그램을 규명하였다.
3. 공간 전사체학: 5명의 환자로부터 얻은 치료 전 생검 조직과 치료 후(FLOT) 절제 표본(TRG3)을 CosMx Spatial Molecular Imager(6,000-plex 패널)를 사용하여 프로파일링하였다.
4. 공간 매핑 및 분석:
   • 악성 전사 프로그램은 AUCell 점수 산출 및 비음수 최소 제곱(NNLS) 회귀를 사용하여 공간 데이터에 투영되었다.
   • 공간적 조직화는 자기상관성을 평가하기 위해 Monte Carlo Moran's I를 사용하여 평가되었다.
   • 세포 근접 영역(neighbourhoods)은 비지도 클러스터링과 고정 반경 근접 분석을 사용하여 반복되는 니치(niche)를 식별하기 위해 정의되었다.
   • 리간드-수용체 상호작용은 통합된 scRNA-seq 참조 데이터를 바탕으로 악성 프로그램별로 계층화하여 CellPhoneDB를 통해 예측되었다.
   • 공간적 맥락 차이 발현 분석은 프로그램 정체성을 통제하면서 특정 니치 내의 암세포와 니치 외의 암세포를 비교하기 위해 수행되었다.

주요 기여 및 결과

• 다섯 가지 보존된 악성 프로그램의 식별: 본 연구는 OAC에서 다섯 가지 재발하는 전사 프로그램을 정의하였다:

  1. 면역 프라이밍(Immune-primed): 인터페론 반응, 항원 제시 및 면역 가시성(visibility)으로 특징지어진다.
  2. 증식(Proliferative): 세포 주기 및 복제 유전자에 의해 정의된다.
  3. 침습(Invasive): 극성, 부착 및 EMT 관련 유전자로 구별된다.
  4. 스트레스 복구(Stress repair): 열 충격 단백질 및 Notch 관련 표적들이 풍부하다.
  5. 스트레스 적응(Stress adapted): 선형 분비(glandular secretory) 및 재생 유전자가 우세하다.
     이러한 프로그램들은 불연속적인 상태가 아니라 하나의 연속체(continuum)로 존재하며, 상당한 가소성을 가진다.

• 치료 관련 변화: 화학요법(FLOT)은 면역 프라이밍 프로그램의 결핍과 잔존 질환에서의 증식 및 스트레스 적응 프로그램의 풍부화와 연관되었다. 이러한 변화는 프로그램 우세 세포들이 무작위로 분포하지 않는 공간적 조직화가 유지됨에도 불구하고 발생하였다.

• 재발하는 섬유-골수구 니치의 발견: 공간 분석 결과, 잔존 암세포는 암세포, 근섬유아세포성 암 관련 섬유아세포(MyoCAFs), M2 분극화 대식세포로 구성된 특정한 삼중 세포 니치 내에 빈번하게 박혀 있음이 밝혀졌다.

  • MyoCAF와 M2 대식세포는 각각 암세포의 가장 풍부한 기질 및 면역 이웃이었으며, 악성 상피와 가장 가까운 위치(50µm 이내)에 위치했다.
  • 약 35%의 암세포가 결합된 MyoCAF–M2 대식세포 니치 내에 거주했다.
  • 밀도가 높은 섬유화와 작은 잔존 섬(islands)을 가진 표본에서는 이 핵심 니치가 때때로 M1 대식세포 및 수지상 세포를 동반하였는데, 이는 더 복잡한 "섬유-염증성 퇴행(fibro-inflammatory regression)" 미세환경을 시사한다.

• 상호 호혜적 신호 네트워크: 리간드-수용체 분석은 이 니치 내의 조정된 네트워크를 예측하였다:

  • MyoCAF-to-Cancer: 성장 및 가소성 경로(EGFR, HGF/MET, WNT, TGF-β, FGF)가 풍부하다.
  • Cancer-to-MyोCAF/M2: ECM 리모델링 및 면역 조절 신호가 풍부하다.
  • MyoCAF-to-M2: TGF-β, CSF1, prostaglandin E2와 같은 신호들이 대식세포가 M2 유사 면역 조절 표현형으로 전환되도록 유도할 것으로 예측되었다.
  • 프로그램별 상호작용이 관찰되었는데, 예를 들어 스트레스 적응 세포는 APLP2-PIGR 상호작용의 풍부함을 보여주어, 장벽 유사 상태로의 적응을 시사하였다.

• 니치 의존적 전사 조절: MyoCAF–M2 니치 내에 위치한 암세포는 니치 외부에 있는 세포와 구별되는 독특한 전사 상태를 보였다. 구체적으로, 이들은 다음과 같은 특성을 나타냈다:

  • 상피 및 선형 분화 마커의 약화.
  • 증가된 스트레스 관련 및 염증 신호.
  • 이러한 효과는 공간적으로 국소화되어 있었으며, 20–30 µm 반경에서 정점에 달했다.

의의 및 주장
본 논문은 화학요법 후 잔존 OAC를 지원하는 공간적으로 조직된 섬유-염증 생태계를 정의한다고 주장한다. 저자들은 OAC의 치료 저항성이 단순히 내재적인 악성 세포 가소성의 결과가 아니라, 잔존 세포가 지속되는 미세환경 니치에 의해 유의미하게 유도된다고 상정한다.

주요 결론은 다음과 같다:

1. 잔존 OAC는 흔히 화학요법 후에도 지속되는 MyoCAF–M2 대식세포 니치 내에 조직된다.
2. 이 니치는 스트레스 적응 및 증식적 악성 상태를 지원하는 동시에 면역 프라이밍 상태를 억제한다.
3. 이 니치는 매트릭스 리모델링, 상피 복구/가소성 및 면역 억제를 포함하는 상호 호혜적 신호 루프를 촉진한다.
4. 본 연구 결과는 조직 맥락(니치)이 잔존 질환 생태의 결정적인 결정 요인임을 시사하며, 왜 일부 종양이 치료에 저항하고 재발하는지를 이해하기 위한 공간적 틀을 제공한다.

저자들은 데이터가 조정된 통신 네트워크를 지목하고 있으나, 기능적 검증이 필요하다는 점을 언급하며 인과관계에 대해 신중한 어조를 유지하였다. 즉, 니치가 능동적으로 이러한 스트레스 적응 상태를 유도하는지, 아니면 단순히 그러한 상태가 우선적으로 지속되는 영역을 표시하는 것인지 결정하기 위해서는 추가 연구가 필요하다. 또한 그들은 작은 공간적 코호트 크기와 관찰적 연구라는 한계점을 강조하였다.