Phylospatial Evolution and Microenvironmental Remodeling Across the GGN-to-Solid Transition in Lung Adenocarcinoma = 폐선암에서 간유리음영의 고형화 이행에 따른 계통-공간 진화와 종양 미세환경 재편성

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Background: Early lung cancer screening has increased detection of ground-glass nodule (GGN)–dominant lesions, yet how these lesions acquire invasion and how genome-level evolution relates to microenvironmental remodeling remain incompletely defined.
Methods: We profiled spatial gene expression from paired preinvasive GGN-predominant and invasive solid-predominant regions in three resected lung adenocarcinomas, and integrated two EGFR-mutant tumors with region-matched laser-capture microdissection whole-genome sequencing (LCM-WGS). Cell-type abundance and epithelial states were inferred using a single-cell reference; ligand–receptor communication and pathway activities were quantified within each section; diffusion-based spatial trajectories captured continuous transitions from GGN toward the solid core. One tumor contained adjacent normal, GGN, and solid tissue, enabling reconstruction of trajectories and cell-state shifts across all three compartments, while in both EGFR-mutant tumors multi-region LCM-WGS was used to anchor spatial patterns to clonal architecture and copy-number profiles.
Results: Cellular composition was reorganized with invasion. Two tumors converged on an epithelial-high, fibroblast-low, myeloid-high solid region, whereas one showed a stroma-dominant solid core; myeloid influx increased in all three. Within the epithelium, a malignant-potential state (tS2) expanded in solid while benign-like states receded, and myofibroblasts consistently increased, indicating matrix deposition and stiffening. T-cell lineages shifted toward exhaustion (exhausted CD8+ in all cases, exhausted T follicular helper cells more modestly), with regulatory T cells increasing in two tumors, supporting an inflamed-but-immunosuppressed milieu. The invasive niche showed stronger matrix-anchored and humoral signaling—complement–B-cell interactions became more prominent, whereas NK/T-cell–supportive axes such as HLA-E/NKG2A and IL-7 signaling diminished—and pathway scores corroborated hypoxia, metabolic stress, and reinforced matrix dependence. Multi-region LCM-WGS in the two EGFR-mutant tumors revealed branched evolution between GGN and solid compartments from a shared EGFR-mutant trunk and highlighted inter-tumoral heterogeneity in chromosomal instability, with one copy-number–quiet tumor and one early chromosomal instability-high tumor in which a copy number abnormality-burdened subclone dominated the solid core.
Conclusions: These spatial multi-omics data indicate that, at the GGN-to-solid transition, an early invasive ecosystem is assembled by parallel tumor-intrinsic diversification and niche remodeling— malignant-program expansion, matrix reinforcement, humoral/complement bias, and progressive loss of NK/T-cell support—and that within part-solid nodules, GGN and solid compartments already constitute sibling clonal lineages with variable degrees of chromosomal instability. This framework may inform risk stratification of GGN-dominant lesions and the design of early interventions targeting stromal and immune pathways.

국문 초록 (Abstract)

배경: 조기 폐암 선별검사로 간유리음영결절(GGN) 우세 병변의 발견이 늘고 있으나, 이들 병변이 어떤 계통·미세환경 변화를 거쳐 침윤성을 획득하는지는 충분히 규명되지 않았다.
방법: 절제된 폐선암 3예에서 동일 종양 내 전침윤(GGN 우세)과 침윤(고형 우세) 영역을 쌍으로 채취하여 공간 전사체를 수행하고, 이 중 EGFR 변이를 가진 2예에서는 동일 블록에서 병리 가이드 레이저 미세절제 전장유전체염기서열분석(LCM‐WGS)을 추가하였다. 단일세포 참조를 활용해 세포 조성과 상피 세포 상태를 추정하고, 절편 내 리간드–수용체 상호작용과 경로 활성을 정량화했으며, 확산 기반 공간 궤적으로 GGN에서 고형 코어로의 연속 변화를 재구성하였다. 한 예에서는 정상–GGN–고형이 연속으로 포함된 절편을 이용하여 세 구획 전반의 궤적과 상태 변화를, 두 EGFR 변이 예에서는 다영역 LCM‐WGS를 이용해 공간 패턴을 클론 구조와 복제수 이상 양상에 연결하였다.
결과: 침윤과 함께 세포 조성이 재편되었다. 두 증례에서는 고형 부위가 상피 상승/섬유아세포 감소/골수계 상승 양상으로 수렴한 반면, 한 증례에서는 섬유아세포가 우세한(stroma‐dominant) 고형 코어가 관찰되었고, 골수계 유입은 전 예에서 증가하였다. 상피 계열에서는 악성 잠재 상태(tS2)가 고형에서 확장하고 분화도가 높은 상태는 감소했으며, 근섬유아세포는 일관되게 증가하여 기질 축적·경화를 시사하였다. T세포 계열은 모든 예에서 exhausted CD8+ T세포(및 일부 exhausted Tfh) 증가와 두 예에서의 조절 T세포 증가를 통해 ‘염증성이지만 면역억제된’ 환경으로 이동하였다. 침윤 미세환경은 기질 중심·체액성 편향으로 이동하여, 보체–B세포 축이 강화되는 반면 NK/T세포 지지 축(HLA‐E/NKG2A, IL‐7 신호)은 약화되었고, 저산소·성장(EGFR/JAK–STAT)·당분해·지방산 대사 경로의 상승과 접합 관련 특징의 감소가 동반되었다. 두 EGFR 변이 종양에서 시행한 다영역 LCM‐WGS는 GGN과 고형 구획이 공통 EGFR 변이 줄기에서 분지된 ‘형제(clonal sibling)’ 계통임을 보여주었으며, 하나는 거의 이수성 변화가 없는 copy‐number‐quiet 종양, 다른 하나는 광범위한 copy‐number 이상과 chromosomal instability(CIN)를 일찍 획득한 종양으로 대비되었다.
결론: 본 연구는 GGN‐우세 결절의 고형화 단계에서 이미 종양 고유의 분지 진화와 미세환경 재편이 병행되어 악성 프로그램 확장, 기질 강화, 보체/체액성 편향, NK/T세포 지지 축 소실이 동반된 초기 침윤 생태계가 형성됨을 보여준다. 동일 종양 내 공간 전사체와 다영역 LCM‐WGS를 통합함으로써, part‐solid 결절 내부에서 클론 분지와 copy‐number 불안정성의 이질성이 어떻게 나타나는지를 제시하였고, 이는 고위험 GGN의 선별과 조기 개입 표적 설정을 위한 기전적 토대를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Introduction 1
• Materials and Methods 7
• Results 14
• Discussion 67
• References 82
• Abstract in Korean 89