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医学科研新动向
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Spatially resolved gene expression profiling of tumor microenvironment reveals key steps of lung adenocarcinoma development
Nature Communications
<2024年12月06日>
研
究
背
景
肺腺癌（LUAD）的发展过程受到肿瘤微环境（TME）的深刻影响。TME由肿瘤细胞、免疫细胞（如CTLs、B细胞）、癌相关成纤维细胞（CAFs）以及各种分子因子组成，它不仅是肿瘤增殖和侵袭的“温床”，更是决定治疗效果的重要因素。已有研究表明，EGFR和KRAS突变是LUAD的重要驱动因素，然而仅凭基因突变信息并不能全面解释肿瘤异质性和治疗耐药性。肿瘤细胞通过改变转录组特征适应微环境压力，例如通过抑制免疫细胞或触发上皮间质转化（EMT）来突破屏障，但这些动态变化的分子和细胞机制尚不清楚。本研究通过高分辨率空间组学技术，从细胞间交互角度解析肿瘤进展的关键步骤，为免疫治疗提供新的潜在靶点。
研究设计
1. 样本类型：
30例LUAD患者的组织样本，包括22例非侵袭性腺癌（AIS/MIA）和8例侵袭性腺癌（IA）。
使用冷冻切片（FF）和石蜡包埋切片（FFPE），确保样本质量和数据一致性。
2. 空间组学平台：
Visium（10x Genomics）：提供55μm分辨率的空间转录组数据。
PhenoCycler：多重免疫荧光标记，用于单细胞蛋白表达图谱。
Xenium：原位RNA分析，实现单细胞分辨率的基因表达测定。
3. 实验流程：
在Visium中，组织切片进行HE染色后扫描，记录肿瘤与微环境的空间分布。
对每个样本进行基因表达定量，构建基因组得分（PAGE分析），用于比较不同区域和病例的异质性。
4. 关键参数：
HE染色：使用10分钟固定时间（FF）或6分钟（FFPE）优化基因组信号。
基因扩增与文库构建：Visium系统标准流程。
PhenoCycler抗体浓度和标记：根据组织类型优化35种抗体的组合。
Xenium检测基因数量：302个候选基因覆盖关键信号通路。
核心结果
良性区域（左）：NAPSA高表达（log2FC=1.6），标志肺泡分化状态；DUOX1（log2FC=1.3）提示氧化应激。
恶性区域（右）：HNF4A（log2FC=2.0）和MUC5AC（log2FC=2.4）表达显著上升。
2）边界区域（Cluster 6）：
IDO1（log2FC=0.86）和IFITM1（log2FC=0.9）表达显著上升，显示免疫抑制信号活跃。
炎症相关基因（如IFN诱导基因）上调，提示肿瘤细胞受到免疫压力。
3）侵袭性区域：
MMP7表达增加3倍（log2FC=2.5），结合ACTA2（log2FC=2.1）和SPARC（log2FC=2.3）高表达，表明基质重塑和侵袭潜能增强。
进一步分析发现CAF密度在该区域增高，达总细胞量的40%。
2. LUAD No. 3的免疫微环境。
CXCL13-CXCR5相互作用显著（CXCL13 log2FC=1.4，CXCR5 log2FC=1.7），指向B细胞活跃区域。 衰竭T细胞比例增加（CTLA4+细胞达42%，较其他区域高出2倍）。
EMT相关基因（VIM log2FC=1.8，RHOB log2FC=1.2）表达显著上升，表明肿瘤细胞转化为间质样表型。 CAF标记物ACTA2富集于边界区域，CAF密度占该区域总细胞量的55%。
SPP1（log2FC=2.5）显著上调，巨噬细胞比例达68%，提示抗炎巨噬细胞在侵袭性区域的重要作用。
CAF与肿瘤细胞共表达CXCL14（log2FC=1.9），支持肿瘤侵袭能力提升。
侵袭性区域在LUAD No. 14中表现最高，得分为9.2，显著高于非侵袭性区域（良性区域平均为2.0）。
非侵袭性区域中免疫评分较高，尤其是B细胞（CD19）和T细胞（CD8A）的活性分别提升2.5倍。 CAF标记物（SPARC和ACTA2）在侵袭性区域富集（log2FC>2，p<1×10^-6），提示基质重塑对晚期肿瘤的主导作用。 IA病例中的B细胞和CTL数量显著下降，侵袭区域中免疫评分平均下降67%。
肿瘤细胞从良性分化区域（NKX2-1+）向侵袭性区域（HNF4A+）迁移，CAF活性增加2.4倍。
免疫特征（如CTL的GZMB表达）在轨迹后段下降约80%。 CAF活性与肿瘤侵袭特征正相关（r=0.82）。 B细胞活性与侵袭性负相关（r=-0.75），表明免疫屏障作用的削弱。
在边界区域，NKX2-1+和HNF4A+肿瘤细胞呈互斥分布，比例约为3:2。
IDO1在边界区域显著上调（log2FC=2.5），CCL22+免疫抑制细胞密度达29%。 CD8+CTL数量减少，但残存的CTL仍表达GZMB和PRF1，提示抗肿瘤活性依然存在。 MMP7和CXCL14主要由肿瘤细胞表达（85%），而CAF中MMP11的表达占比62%。
在AIS/MIA样本中识别出25个“可能恶性”区域，这些区域OXTR（log2FC=1.5）和COL1A1（log2FC=1.7）显著上调。 免疫标记物B细胞CD19和T细胞CD8A分别占浸润细胞总数的22%和35%。
FABP4和SPP1高表达巨噬细胞共存，比例达73%，指向早期的促炎微环境。
炎症因子CCL19显著上调（log2FC=1.7，p<0.001）。
免疫细胞密集分布，TLS样结构富集；肿瘤细胞尚未突破免疫屏障，侵袭区域有限。
小
结
本研究通过多模态空间组学技术，系统解析了肺腺癌（LUAD）进展过程中肿瘤细胞与肿瘤微环境（TME）之间的动态交互。研究结合了空间转录组分析、单细胞RNA测序和多重免疫染色，揭示了肿瘤细胞如何通过转录组的重塑逐步突破免疫屏障，推动从非侵袭性阶段（AIS/MIA）到侵袭性阶段（IA）的转化。我们发现，肿瘤细胞与免疫细胞、癌相关成纤维细胞（CAFs）之间的复杂交互在肿瘤演化中发挥了至关重要的作用。在早期阶段，肿瘤细胞通过改变基因表达应对免疫细胞的攻击，免疫细胞（如T细胞和B细胞）依然发挥一定的免疫监视作用。然而，随着肿瘤进展，肿瘤细胞通过上调免疫抑制因子（如SPP1、CXCL14和IDO1）逐渐建立免疫逃逸机制，并通过CAFs的招募和基质重塑促进肿瘤的侵袭性转变。这些发现提供了对肺腺癌微环境的全新理解，强调了免疫逃逸与微环境重塑在肿瘤进展中的关键作用。
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