基于单细胞代谢成像的肝细胞癌分子分型研究

The 5-year recurrence rate of early hepatocellular carcinoma (HCC) is as high as 70%, and a new method for molecular typing is urgently needed. At present, a large number of studies have used genomic or proteomic techniques to analyze and explore possible key molecules in the process of tumor progression, and found that abnormal lipid metabolism is a prominent feature of early HCC with poor prognosis. However, malignant tumors have significant metabolic heterogeneity. Since conventional histological analysis methods based on tissue homogenate measurements lack the ability to visualize at the single cell level, it is not possible to quantify the level of abnormally metabolized lipid molecules of different types of cells (or different cells of the same type) in situ in intact tissues, resulting in limiting the biological research of tumor lipid metabolism to some extent , and hinders the accurate typing based on abnormal lipid metabolism. In response to this problem, this project proposes to use the advantages of hyperspectral stimulated Raman scattering (SRS) imaging for polymer specificity, high sensitivity, high spatial resolution and fast imaging speed to develop label-free single-cell tumor metabolic imaging methods. Quantitative study on the content and distribution of biomolecules at the single-cell level in complete clinical primary hepatocellular carcinoma (BCLC 0-A) tissue samples; In addition, these molecular imaging information were combined with tumor histology, molecular pathology and clinical manifestations to obtain new understanding of the abnormal metabolic nature of hepatocellular carcinoma, reveal whether the malignancy degree of different HCC cells is correlated with abnormal lipid metabolism, and establish a new method for single-cell visual function classification of early hepatocellular carcinoma.

早期肝细胞癌（HCC）大多用手术切除治疗，但约70%的患者术后5年内会出现复发，且尚无辅助疗法可以降低复发风险。这其中最重要因素就是早期HCC存在显著的异质性，亟需分子分型的新方法。近期的组学研究接连报道异常的脂质代谢是预后差的早期HCC的突出特征。然而，基于组织匀浆测量的常规组学方法缺乏单细胞水平的可视化能力，忽视了恶性肿瘤微环境内显著的代谢异质性，导致一定程度上阻碍了基于异常脂质代谢的精准分型。针对这一问题，本项目提出利用高光谱受激拉曼散射成像高特异性、高灵敏度、高分辨率和速度快的优势，发展无标记单细胞肿瘤代谢成像方法，定量研究完整的早期HCC组织标本中，单细胞水平上脂质代谢分子的浓度分布；并将这些分子成像信息与肿瘤组织病理、分子病理和临床表现结合分析，获得对HCC异常代谢本质的新认识，揭示HCC细胞的恶性程度与脂质代谢的关联，建立早期HCC的单细胞可视化功能分型新方法。

早期肝细胞癌（HCC）术后5年复发率高达70%，亟需分子分型的新方法。目前大量研究利用基因组或蛋白组学技术，分析挖掘肿瘤演进过程中可能的关键分子，发现异常的脂质代谢是预后差的早期HCC的突出特点。然而，恶性肿瘤有显著的代谢异质性。由于基于组织匀浆测量的常规组学分析方法缺乏单细胞水平的可视化能力，因此无法在完整的组织中原位定量不同类型细胞的异常代谢的脂质分子水平，导致一定程度上限制了肿瘤脂质代谢的生物学研究，而且阻碍了基于异常脂质代谢的精准分型。针对这一问题，本课题利用高光谱受激拉曼散射（SRS）成像高分子特异性、高灵敏度、高空间分辨率和成像速度快的优势，建立了基于相干拉曼散射的无标记单细胞代谢成像新方法，实现了组织原位上亚细胞水平的多种脂质分子量化分析。利用该方法，作者发现肝纤维化组织中，与肝损伤进程相吻合，脂质首先在中央静脉区富集，且随疾病进展脂质积累含量增加，其中不饱和脂质占比增加，脂质过氧化产物增加。肝硬化组织中不饱和脂质和脂质过氧化产物在肝细胞中显著增加。临床早期原发性肝细胞癌（即巴塞罗那分期0-A级）组织中，肝实质细胞的脂质积累显著高于微环境中的免疫细胞；肝实质细胞中饱和脂质的积累、CD8+T细胞和巨噬细胞中胆固醇酯的积累，与临床上预后差相关（微血管侵犯、AFP水平、5年内复发）。综上，本课题展示了多模态无标记非线性光学成像技术在探究肝脏疾病分子空间异质性方面的潜力，揭示了脂质成分和分布改变在肝纤维化演进中的关键作用，获得了对早期HCC异常脂质代谢本质的新认识，阐明了HCC细胞的恶性程度与脂质代谢的关联，建立了早期HCC的单细胞可视化功能分型新方法。该工作共发表包括Science Advances在内的9篇学术论文，参编专著1部；申请3项国家发明专利，其中2项已获授权，并将于近期进行专利实施许可和应用示范；参加会议并作口头报告6次，其中受邀4次；毕业硕士研究生4名。