引领空间肿瘤学 —— Nature发布泛肿瘤的空间组学突破性研究成果
引领空间肿瘤学 —— Nature发布泛肿瘤的空间组学突破性研究成果
空间和时间上研究恶性肿瘤的演变为理解肿瘤如何发展、如何逃避免疫系统、如何抵抗治疗和复发提供了至关重要的线索。自2018年以来，由美国国家癌症研究所（NCI）资助的Cancer MoonshotSM计划 ——“人类肿瘤图谱网络（HTAN）”一直在编制3D图谱，整合了癌症进化过程中各种肿瘤的细胞、分子和组织学特征。Nature最新上线了一项隶属于该计划的一项突破性研究成果，创新性的利用了Visium空间转录组联合Phenocycler-Fusion(PCF)空间单细胞蛋白组（原CODEX）技术揭示了肿瘤在空间上的区域异质性，构建了肿瘤在2D和3D空间上的微环境互作关系，揭示了肿瘤的时空演化规律。
研究设计
研究收集了 6 种癌症（乳腺癌 BRCA、胆管癌 CHOL、结直肠癌 CRC、胰腺癌 PDAC、肾细胞癌 RCC、子宫内膜癌 UCEC）的手术切除样本，共78例患者的131 个肿瘤切片，包含了 48 个匹配的snRNA-seq 样本和 22 个匹配的 PCF (CODEX) 样本（图1）。该研究基于基质成分在组织空间上将肿瘤分割成的不同区域，定义为肿瘤微区域（tumour microregions），后续深入探究了肿瘤微区域的共性和异质性特征。
图1 研究设计和空间分析路线
技术应用
单细胞测序技术：包括snRNA-seq和scRNA-seq。
空间转录组（ST）：使用 10X Visium对 OCT 包埋或 FFPE 组织样本进行检测。
PCF空间单细胞蛋白组：总共使用了48个抗体，包括了主要免疫细胞marker以及不同肿瘤的特征性marker（图2），对22例FFPE 切片进行了空间单细胞成像检测（图3）。
图2 PCF抗体信息
图3 22例样本的PCF成像展示
主要研究结果
肿瘤微区域和空间亚克隆的特征
肿瘤微区域被定义为大、中、小三个级别，其大小和密度在不同癌症类型中有所不同，转移瘤样本中微区域更大。同时，空间转录组联合WES和snRNA-seq数据，将具有共同遗传改变的微区域分组为空间亚克隆，总共4种癌症类型的35 个肿瘤切片表现出亚克隆结构（图4）。通过 CNV 分析和突变映射，发现空间亚克隆具有不同的拷贝数变异和突变，且与匹配的 WES 数据具有较高的基因组相似性。不同亚克隆存在不同的转录组特征和致癌通路活性，例如 MYC 通路。
图4 肿瘤微区域呈现遗传差异性
肿瘤微区域的细胞定位和相互作用
研究将每个肿瘤微区域从中心位置到边缘进行了6个分层，通过分层分析发现肿瘤细胞和非肿瘤细胞在不同区域的分布规律，分析了不同分层中的基因表达特征和通路活性，以及免疫细胞浸润和细胞互作的特征（图5）。通过对肿瘤空间亚克隆中非肿瘤细胞的浸润分析，发现不同癌症类型中浸润的主要细胞类型不同，如 BRCA 中是巨噬细胞、CRC中是肝细胞、而PDAC 中是成纤维细胞等。通过分析边界区域的差异表达基因和细胞-细胞相互作用，发现了一些富集的基因和相互作用途径，如细胞外基质蛋白、干扰素诱导的巨噬细胞激活蛋白、细胞-细胞粘附蛋白等，这些相互作用在肿瘤生长和免疫调节中起重要作用。
图5 免疫细胞和基质细胞在肿瘤微区域内的浸润
3D 肿瘤结构和微环境相互作用
11个样本和2个样本分别执行了48个连续切片进行空间转录组和PCF空间单细胞蛋白组，连续切片数据被整合重构3D肿瘤结构，结果发现了肿瘤体积在不同样本中有所不同（图6）。同时，通过拓扑度量分析发现了肿瘤结构的复杂性。使用无监督深度学习方法识别了3D 细胞邻域，发现免疫“热”和“冷”邻域以及增强的免疫耗竭指标围绕特定的3D 空间亚克隆。通过对不同样本的分析，进一步验证了肿瘤-免疫相互作用在 3D 空间中的特征。
图6 3D重构肿瘤结构
总结与讨论
本研究通过空间转录组和空间单细胞蛋白组等多种技术对多种癌症样本进行综合分析，识别出基因组上不同的空间微区域和空间分布的亚克隆，证明了 CNV 可变性是转录变异的主要驱动因素之一，同时肿瘤微环境也是导致变异的重要因素。3D肿瘤结构重建和分析进一步揭示了肿瘤微环境的空间异质性和细胞间相互作用，为理解肿瘤的发生、发展和治疗抵抗机制提供了重要的见解。同时研究者也指出了此研究的一些局限性，包括RNA推断的空间CNV无法捕获小的拷贝数变化，采用的空间转录组数据集无法达到单细胞分辨率等。为了能够弥补空间分辨率的缺陷，研究者联合了PCF空间单细胞蛋白组技术，通过表型marker的表达和分布准确定义了细胞类型，准确揭示了细胞互作关系。
相关文献
Mo CK, Liu J, Chen S, Storrs E, Targino da Costa ALN, Houston A et al. Tumour evolution and microenvironment interactions in 2D and 3D space. Nature. 2024;634(8036):1178-1186.
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