皮肤鳞状细胞癌免疫细胞浸润与基因富集分析.pdf

论论 著著皮肤鳞状细胞癌免疫细胞浸润与基因富集分析柳若冰郑德义李伟人(.贵州医科大学临床医学院贵阳 .贵州省人民医院烧伤整形科贵阳):/通信作者:郑德义:.中图分类号:文献标识码:文章编号:()摘要:目的 通过生物信息学方法分析皮肤鳞状细胞癌()中免疫细胞浸润相关基因差异表达及其意义方法 从基因表达数据库()搜索并下载 数据集经过检索及筛选得到临床信息 和 两个数据集使用 语言 函数分析免疫细胞浸润情况以及它们在 组和对照组中的差异性 使用 软件绘制差异细胞的小提琴图 软件 包对靶基因通过基因本体()功能注释和基于京都基因与基因组百科全书()通路数据库进行信号通路富集分析 结果 与对照组相比 组中 个差异表达基因其中 个上调基因、个下调基因通过分析差异表达基因筛选排名前 的关键基因分别为人乳铁蛋白、蛋白偶联受体、天冬氨酰氨基葡糖苷酶、烟酰胺 甲基转移酶、分泌粒蛋白、叶酸受体、维甲酸诱导蛋白、多肽 乙酰半乳糖氨基转移酶 发生发展中导致浆细胞数量增加 型巨噬细胞数量减少记忆性 细胞为高浸润性且细胞溶解活性与嗜酸粒细胞呈正相关(.)而与 型巨噬细胞呈显著负相关(.)影响 预后 富集分析显示基因功能主要与角质细胞分化、细胞防御、存在于细胞膜或细胞核内的蛋白酶体有关 信号通路富集显示差异表达基因主要参与胆固醇代谢、脂肪酸等脂质代谢通路 结论 部分免疫细胞浸润及其相关基因差异表达在 发生过程及其预后中起重要作用角质细胞分化、脂质代谢信号通路改变可能与 的发病机制密切相关关键词:皮肤鳞状细胞癌免疫细胞浸润差异表达基因 数据库生物信息分析 .:.:().().()().医学综述 年 月第 卷第 期 (.)(.).:皮肤鳞状细胞癌()是起源于表皮及其毛囊附属器角质形成细胞的一种常见恶性肿瘤发病率约占非黑素瘤皮肤癌的 随着人口老龄化 发病率以每年的速度增加其发病是环境、免疫及遗传等因素共同作用的结果早期皮损不典型易被患者忽视而延误诊治 目前 的治疗仍以手术切除为主对放疗和化疗敏感性差部分 具有高度的转移侵袭能力术后复发率高故探索其发病机制及寻找新型治疗方法具有重要意义目前免疫治疗在临床中用于治疗恶性肿瘤的疗效显著 有学者认为肿瘤微环境中的免疫细胞浸润程度有助于分析恶性肿瘤的预后评估免疫治疗的有效性 特异性肿瘤免疫浸润可能是晚期 患者预后不良的决定因素但目前 发生发展的分子机制尚未明确迫切需要发现更多潜在的免疫细胞和关键基因进行有效的评估及治疗 本研究通过生物信息学方法筛选出差异表达基因对这些基因进行富集分析找到其中重要的核心基因然后进行免疫浸润分析并对相关免疫细胞在 中的浸润情况进一步探究为 的发病机制及免疫治疗提供研究基础 资料与方法.数据来源 搜索基因表达数据库()(:/./)中的 基因数据集检索策略:得到 个数据 按样本量排序选取样本量大于 的样本数后对研究内容进行过滤去除针对信使()测序、来源于细胞系或小鼠的样本并选择日光性角化病作为 对照的基因序列得到 和 两数据集 其中 数据集包含 例皮肤鳞状细胞肿瘤组织、例日光性角化病组织数据集包含 例皮肤鳞状细胞肿瘤组织、例日光性角化病组织.基因表达数据处理和差异基因筛选通过对 及 数据集中 样本和对照样本进行差异化基因筛选分别下载、数据及样本信息利用 语言软件(:/./)中的 包进行预处理随后通过 程序筛选 组与对照组之间的差异表达基因按.且.的标准进行筛选(为差异倍数)得出排名前 的关键差异表达基因并分别应用 软件 包和 软件包绘制火山图和热图.差异基因功能和通路富集分析利用 软件 包对显著差异基因进行基因本体()功能分析 分析包括细胞组成、生物学过程和分子功能 基于京都基因与基因组百科全书()基因集对差异表达基因的相关通路进行分析以 .为差异有统计学意义 包用于可视化得到基因与疾病关系的气泡图.肿瘤浸润免疫细胞分析 采用(:/.)方法根据基因表达谱计算组织的免疫细胞组成 使用 语言的 函数对 的 表达矩阵进行肿瘤浸润免疫细胞分析 .为差异有统计学意义 使用 反卷积算法和 基因标记进行分析对 组和对照组进行可靠的免疫评分评估得到 种免疫细胞在 中所占比例医学综述 年 月第 卷第 期 .免疫浸润细胞比例样本分型使用 包对 .为条件筛选出符合条件的免疫浸润样本进行分型聚类方法设置为(“”)距离计算方法设置为(“”)重复 次以确定分类的准确性并通过 进行结果的可视化绘制 结 果.关键差异基因分析选取、基因表达谱数据集为分析对象经过校正批次效应使用 包的 函数对两个数据集进行校正见图 使用 软件 包比较 组与对照组基因表达水平差异性 以 .且.作为条件筛选出 个差异表达 其中上调 个、下调 个差异有统计学意义(.)采用 包对 组与对照组进行差异基因分析最后通过 包绘制火山图以展示差异表达基因的差异倍数和显著性见图 采用 包对具体差异分析结果热图可视化见图 高表达前 的基因有人乳铁蛋白()、蛋白偶联受体()、()、天冬氨酰氨基葡糖苷酶()、烟酰胺 甲基转移酶()、分泌粒蛋白()、叶酸受体 ()、维甲酸诱导蛋白 ()、多肽 乙酰半乳糖氨基转移酶()见表.差异基因富集分析 使用 软件 包对差异基因进行 条目和 富集分析后获得排名前 的 靶基因结果以气泡图的形式展现 分析结果显示 的细胞成分主要富集在角质层、节旁交界生物过程主要包括白细胞介导的细胞毒性反应、细胞杀伤调控分子功能方面主要富集在谷胱甘肽过氧化物酶活性见图、图 分析显示产生的磷脂酰肌醇激酶/蛋白激酶(/)通路均与胆固醇等脂质代谢相关见图、图 注:指检索和设置对象的范围图 、数据集线性回归批次效正图 注:为皮肤鳞状细胞癌 为差异倍数 为下调 为无变化 为上调红点为下调基因蓝点为上调基因图 组与对照组差异表达基因火山图.肿瘤浸润性免疫细胞的差异性表达使用 算法和 基因标记进行分析获得每个样本中不同免疫细胞占比结果显示记忆性 细胞在 个肿瘤浸润免疫细胞亚群中所占比例最大见图 与对照组相比 组中浆细胞数量增加 型巨噬细胞数量减少(.)医学综述 年 月第 卷第 期 注:为皮肤鳞状细胞癌 为免疫状态 为性别 为集群 为免疫活性 为免疫抑制 为女性 为男性图 组与对照组差异表达基因聚类分析热图表 排名前 的皮肤鳞状细胞癌高表达差异基因基因平均值统计量 值.注:为错误发现率注:为基因本体 为生物过程 为细胞成分 为分子功能 为富集倍数 为错误发现率为 数/点图 关键差异基因的 功能富集分析 为表达上调 功能 为表达下调 功能医学综述 年 月第 卷第 期 注:为基于京都基因与基因组百科全书 为富集倍数 为错误发现率 为数/点图 关键差异基因的 通路富集分析 为表达上调 通路 为表达下调 通路注:为皮肤鳞状细胞癌 为相对百分比图 组与对照组 种免疫浸润的占比热图见图 对照组与 组浆细胞、型巨噬细胞比较差异有统计学意义(.、.)见图.差异浸润免疫细胞的相关性免疫细胞溶解活性通过基因表达来衡量抗肿瘤免疫显示不同的 值阈值之间的免疫细胞溶解活性存在显著差异 值越低则免疫细胞的比例较高见图 对各免疫细胞与免疫细胞溶解活性相关性进行分析在 算法中 .时数据集中的细胞溶解活性与嗜酸粒细胞呈显著正相关(.)而与 型巨噬细胞呈显著负相关(.)见图 根据聚类分析可以将不同样本中表达模式相同或相似的基因聚为一类得出在 中记忆性 细胞浸润性高见图 讨 论 的发病机制复杂且易发生转移转移率为.占非黑色素瘤皮肤癌死亡人数的 现有研究发现部分基因、信号通路及免疫细胞浸润参与 的发生发展影响预后然而其具体的发病机制尚未阐明 本研究旨在通过生物信息学分析探究 发生发展过程中免疫细胞浸润医学综述 年 月第 卷第 期 注:为皮肤鳞状细胞癌 为免疫状态 为免疫活性 为免疫抑制 为性别 为女性 为男性 为类型 为日光性角化病图 组与对照组 种免疫相关细胞的浸润分布 图 值与皮肤鳞状细胞癌中免疫细胞溶解活性的相关性 注:为皮肤鳞状细胞癌 为所占比例为日光性角化病图 组与对照组 种免疫细胞浸润分析小提琴图注:为细胞溶解活性图 皮肤鳞状细胞癌中免疫细胞与免疫细胞溶解活性的相关性相关的差异表达基因及相关信号通路以进一步了解 的分子机制本研究通过差异表达基因分析筛选出 个 高风险差异基因其中 个基因表达上调、医学综述 年 月第 卷第 期 注:为免疫状态 为性别 为集群 为免疫活性 为免疫抑制 为女性 为男性 图 皮肤鳞状细胞癌中免疫浸润细胞比例样本聚类分析热图 个基因表达下调前十的差异基因有、以上基因在 组织中高表达这些差异表达基因在 的发生发展过程中可能起重要作用 此外 发病与通路驱动基因突变有关本研究基于 数据库并通过筛选 组与对照组中差异表达的 确定了 个关键 通过 功能和 通路富集分析基因功能主要与角质细胞分化、细胞防御、存在于细胞膜或细胞核内的蛋白酶体有关其参与肿瘤细胞的免疫应答 胆固醇代谢、脂肪酸等脂质代谢通路可能参与 的发生发展胆固醇、脂肪酸代谢与肿瘤免疫细胞关系在近年文献中已得到证实 胆固醇、脂肪酸脂质代谢异常可促进肿瘤细胞在免疫微环境发生重编程以利于恶性肿瘤细胞增殖、侵袭迁移和适应不利的生存环境改变免疫细胞的抗瘤活性 其结果表明免疫细胞与 的基因功能及免疫相关通路均有关联研究表明免疫细胞浸润与肿瘤的发生、发展密切相关肿瘤免疫细胞浸润往往与肿瘤相关基因的表达水平有关从而导致不良预后 具有高肿瘤突变负荷部分体细胞突变并成为可被免疫系统识别的新抗原这为免疫治疗提供了有力的生物学依据并为 治疗提供了新思路 免疫功能低下是 的危险因素本研究采用 算法对 的免疫细胞浸润进行分析以了解肿瘤微环境中不同免疫细胞的相对丰度得出 记忆性 细胞占比最大通过聚类分析也证实这一结果说明在 患者中 记忆性 细胞发挥了免疫抑制作用使机体不能很好地发挥抗肿瘤应答在一定程度上加速了肿瘤的发展这与既往研究结果相佐 细胞可分为几个亚群在不同疾病中 记忆性 细胞的作用可能有所不同本研究认为去除或减少 免疫微环境中的 记忆性 细胞可能提高肿瘤免疫治疗效果 同时本研究还显示与对照组相比组织中浆细胞增多而 型巨噬细胞减少可促进 的进展 浆细胞属于 细胞的一种其形成肿瘤浸润浆细胞发挥抗肿瘤作用 本研究 样本中浆细胞大量浸润可能是对肿瘤抗原的反应与此存在的 型巨噬细胞在肿瘤发生发展过程中主要发挥抑癌作用同时能分泌高水平的促炎性细胞因子在肿瘤发展中减少而影响机体抵御肿瘤的能力 因此免疫浸润细胞中浆细胞及 型巨噬细胞对 的发生及预后产生影响可为研究 的免疫治疗提供新思路为了进一步探究相关免疫细胞在 发病中的作用通过 得出的 值分析其免疫细胞溶解活性的相关性即不需要免疫接种或提前激活即能够自发溶解特定的肿瘤靶细胞得出嗜酸粒细胞与溶解活性显著相关 作为一种多功能的免疫细胞嗜酸粒细胞在肿瘤的发生发展过程中越来越引起人们的重视 研究发现嗜酸粒细胞通过直接或间接通路产生并分泌各种细胞因子或呈递抗原从而影响免疫细胞的功能发挥抗肿瘤作用且本研究结论与以往文献在一定程度相契合在多种实体和血液肿瘤免疫治疗中嗜酸粒细胞计数与预后呈正相关 上述研究结果表明嗜酸粒细胞可能有望改善 免疫治疗的结局 同时结果医学综述 年 月第 卷第 期 显示免疫细胞浸润情况不同 型巨噬细胞浸润水平较低可能提示免疫细胞溶解活性低下形成了不利的肿瘤微环境使 细胞在免疫抑制的微环境中迅速增殖、迁移和入侵这些变化可能导致患者预后不佳综上所述 差异基因及信号通路与疾病发生相关 与对照组织存在免疫浸润细胞的差异记忆性 细胞、/型巨噬细胞及嗜酸粒细胞参与 的免疫调节发挥促癌或抑癌作用差异基因的高表达影响 疾病的进展角质细胞分化、脂质代谢可能为 发病的信息通路对疾病发病的潜在免疫机制的研究及探索新的免疫治疗产生促进作用为后续的实验研究提供理论依据 但由于肿瘤的发生是一个受多类分子和信号通路调控的复杂过程仍需要后续的组织样本及细胞实验进一步验证参考文献 .():.:?.():.:.:.()():.():.():.():.:.():.:.():.王寒冰刘宝瑞魏嘉.脂肪酸代谢影响肿瘤免疫微环境与免疫治疗的研究进展/.肿瘤代谢与营养电子杂志():.罗娜时荣臣代荣阳等.胆固醇代谢与肿瘤免疫.四川大学学报(医学版)():.:.:.():.:.():.杨磊宋长兴许绍发.细胞与肿瘤免疫.国际肿瘤学杂志():.:.():.:.():.:.:.:.():.王远珑冯辉.嗜酸性粒细胞在肿瘤免疫中的生物学特性研究进展.国际免疫学杂志():.收稿日期:修回日期:编辑:伊姗医学综述 年 月第 卷第 期