空间蛋白组新突破！Mol Cell | Mann团队空间新作解析肿瘤免疫微环境
空间蛋白组新突破！Mol Cell | Mann团队空间新作解析肿瘤免疫微环境
空间蛋白组学作为蛋白质组学研究的革命性技术，极大地推动和颠覆了精准医学的研究模式。在2024年末，Nature Methods发布特刊，空间蛋白质组学荣获“年度技术”的桂冠。近年来，空间蛋白质组学应用广泛，多次发表于CNS顶刊：2022年，Cell正刊以封面文章形式报道了器官的三维立体空间分子图谱，揭示了小鼠脑组织、骨髓组织和人类心脏动脉斑块的异质性；2024年，Nautre正刊报道了利用空间蛋白质组学揭示致命皮肤病的关键致病驱动因素和新疗法。此外，诸多成果的接连发表彰显了空间蛋白质组学广泛的应用场景和科学前瞻性。
1月15日，蛋白质组学领域大咖，德国马普所Matthias Mann团队在国际权威期刊Molecular Cell上发表了题为“Deciphering functional tumor-immune crosstalk through highly multiplexed imaging and deep visual proteomics”的文章。研究在空间蛋白质组学技术基础上，通过集成多重成像（highly multiplexed imaging）技术，能够在保留组织微环境空间背景的同时进行深度蛋白质组学分析。该技术运用于解析肿瘤免疫微环境中的功能性肿瘤-免疫相互作用，为肿瘤免疫治疗策略提供重要见解。
MidDVP的工作流程
该研究基于先前开发的空间蛋白质组技术（deep visual proteomics，DVP）。为了进一步获取组织微环境的空间分子景观，集成多重成像技术，使用MACSima成像平台进行14- to 22-plex的免疫荧光染色，成功获得结直肠癌（CRC）和扁桃体癌样本中不同细胞类型的空间信息。
图1 midDVP的工作流程
结直肠癌的肿瘤微环境（TME）分析
研究团队在结直肠癌（一种代表性的冷肿瘤）肿瘤组织FFPE切片中鉴定出肿瘤细胞、巨噬细胞、CTL、TH和B细胞，以及血管和淋巴管等不同的细胞群。
研究发现固有层存在大量免疫细胞聚集，巨噬细胞在肿瘤上皮与固有层间呈屏障样分布，人类白细胞抗原DR（HLA-DR）表达量低，表明巨噬细胞可能在塑造免疫景观中发挥作用。因此研究聚焦于肿瘤上皮和固有层的巨噬细胞，对切割的100个巨噬细胞进行了蛋白质组学分析，结果定量出超4000个蛋白，其中存在显著差异表达的蛋白质超过1000种。此外，肿瘤上皮区域巨噬细胞的巨噬细胞激活、干扰素-γ反应和吞噬功能相关通路下调，而柠檬酸循环和前体蛋白转运加工相关通路上调，进一步证实其免疫抑制增强。
类似地，研究团队对肿瘤上皮和固有层的CTL和TH也进行了单细胞切割与蛋白质组分析，定量了约200个细胞的4000多个蛋白质。结果显示肿瘤上皮区域的CTLs，其T细胞激活、细胞因子产生等免疫相关通路下调，线粒体代谢上调以适应TME；TH则上调适应缺氧、代谢重编程等通路，参与肿瘤进展和免疫调节。
图2 结直肠癌的肿瘤免疫微环境分析
扁桃体癌的肿瘤微环境分析
为了评估mipDVP的普适性，研究团队在扁桃体癌（一种代表性的热肿瘤）肿瘤组织FFPE切片中做了同样的分析，结果发现扁桃体癌组织中免疫细胞浸润丰富，CTL与肿瘤细胞紧密相邻，平均归一化距离较近，且存在多种T细胞亚群。此外，研究还发现CTL不仅在基质中大量存在，而且在肿瘤实质附近也大量存在，而TH主要存在于基质中。研究团队发现了一种新的CTLs表型肿瘤浸润的细胞毒性T淋巴细胞（TIL-CTLs），其丢失跨膜糖蛋白CD45RA和CD45RO表达，且对肿瘤细胞增殖有抑制作用（图3A）。
图3 扁桃体癌组织的细胞空间定位图B肿瘤细胞分组图
研究团队根据肿瘤细胞与TIL-CTLs的距离将其分为近、中、远三组进行蛋白质组分析（图3B），发现不同组肿瘤细胞蛋白质组存在差异，近CTLs的肿瘤细胞上调干扰素和IL-12信号通路，远CTLs的肿瘤细胞则与补体激活等通路相关。巨噬细胞和浆细胞等免疫细胞在肿瘤微环境中也有适应性变化，如巨噬细胞在血管附近的膜动力学调节蛋白上调，浆细胞根据与血管距离调节应激和迁移相关通路。此外，通过配体-受体相互作用分析绘制了细胞间通讯网络，发现肿瘤细胞与免疫细胞间存在多种重要的相互作用，如CEACAM家族成员参与的免疫调节和代谢串扰等（图4）。
图4 扁桃体癌的肿瘤免疫微环境分析
综上所述，本研究借助mipDVP技术，针对两种不同类型的肿瘤（冷肿瘤-结直肠癌和热肿瘤-扁桃体癌）的FFPE组织切片里的肿瘤细胞、免疫细胞等展开分析，于不同细胞类型中成功鉴定出数量可观的蛋白质。研究发现结直肠癌中巨噬细胞存在免疫抑制屏障及T细胞有区域特异性适应，扁桃体癌里CTLs与肿瘤细胞紧密关联且存在细胞间复杂通讯网络等现象，进而揭示了肿瘤微环境中细胞间相互作用的关键机制，为癌症免疫治疗提供了极具价值的潜在靶点与策略方向，有力地推动了肿瘤治疗领域的发展进程，为后续研究奠定了坚实基础。
本研究从空间单细胞级别展示了结直肠癌和扁桃体癌肿瘤微环境（TME）中的免疫景观，呈现了肿瘤微环境中巨噬细胞、T细胞等多种细胞的复杂空间分布与功能异质性，更重要的是精准挖掘了结直肠癌中巨噬细胞相关的代谢通路转变，以及疾病特异性的关键驱动因素。这些发现为后续致病机制的探索和治疗方法的开发提供了全新的视角。
值得一提的是，从2019年至今，德国马普所Matthias Mann等团队接连于CNS顶刊上发表关于空间蛋白组的多项研究：2019年，Nature正刊发表了针对卵巢癌以及卵巢癌附近基质的空间蛋白质组学研究成果；2022年，Cell正刊以封面文章形式发表了从完整小鼠和人类器官分离的目标区域的空间蛋白组分子图谱；2024年，Nature正刊再次发表了利用空间蛋白质组学揭示致命皮肤疾病新疗法的成果。本文的发表再次印证了空间蛋白质组学具有的广泛应用前景和科学前瞻性。也体现了空间蛋白组在探究细胞类型异质性、疾病分子病理机制/药物靶标、临床转化的巨大潜力。