空間多組學技術揭示肺癌微環(huán)境的空間基因表達

編者按：

空間多組學技術正革新腫瘤研究，以很高的分辨率揭示組織內部基因表達模式。本研究利用多種空間轉錄組技術平臺，深入解析了肺腺癌中腫瘤細胞與微環(huán)境的互動，涵蓋早期病變至侵襲性癌癥。該技術不僅發(fā)現(xiàn)了早期免疫反應的存在，還揭示了腫瘤進展中的關鍵變化，為精準醫(yī)療提供了寶貴數(shù)據(jù)。空間多組學技術這一革命性工具，將開啟肺癌研究新篇章。

研究背景 

非小細胞肺癌（NSCLC）是肺癌中最常見的類型，其中肺腺癌（LUAD）尤為普遍。腫瘤微環(huán)境（TME）復雜多樣，影響腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及治療反應。借助空間轉錄組學和單細胞測序技術，研究人員能夠高分辨率解析腫瘤內部及其周圍組織的基因表達模式。本研究中，借助空間多組學技術，研究者探討了不同突變特征的LUAD病例中腫瘤細胞與微環(huán)境的相互作用，評估腫瘤細胞與其周圍細胞的關系，并通過單細胞水平驗證分析揭示TME特征。此外，研究團隊調查了早期LUAD及腫瘤進展早期階段的TME狀態(tài)，解析免疫細胞在早期腫瘤微環(huán)境中的行為及其對腫瘤細胞命運的影響。這些發(fā)現(xiàn)為理解早期癌癥發(fā)展機制提供了新視角，并為早期診斷和個性化治療策略奠定了基礎。

文章詳情 

文章題目：Spatially resolved gene expression profiling of tumor microenvironment reveals key steps of lung adenocarcinoma development
中文題目：腫瘤微環(huán)境的空間基因表達譜揭示肺癌腺癌發(fā)展的關鍵步驟
發(fā)表時間：2024.12
期刊名稱：Nature Communications
影響因子：14.7
實驗平臺：10x Genomics Xenium+10x visium空間轉錄組測序
DOI：10.1038/s41467-024-54671-7

研究結果 

1、研究設計概述

為了系統(tǒng)地理解肺癌微環(huán)境（TME）的復雜性和多樣性，研究團隊采用了空間轉錄組學技術和單細胞分辨率分析方法。通過整合Visium空間轉錄組數(shù)據(jù)與Xenium原位基因表達分析，研究人員旨在揭示腫瘤細胞與其微環(huán)境之間的相互作用機制。此外，該研究還特別關注早期肺腺癌（如AISs和MIAs）以及侵襲性腺癌（IA）病例中的TME變化，以探索腫瘤進展的不同階段特征。

Fig1. 研究概述

2、空間表達模式與微環(huán)境多樣性

為了深入理解不同類型肺癌中腫瘤細胞的空間分布及其與微環(huán)境的相互作用，研究團隊分析了LUAD No. 2（KRAS突變，黏液性癌癥）和LUAD No. 3（EGFR突變，非黏液性癌癥）的空間表達模式。通過空間轉錄組學技術，研究人員發(fā)現(xiàn)LUAD No. 2表現(xiàn)出顯著的空間異質性，尤其是在腫瘤細胞與基質細胞、免疫細胞之間的互動方面。這類癌癥內部存在復雜的基因表達特征，揭示了其獨特的生物學行為。對于LUAD No. 3，研究揭示了其內部多樣化的微環(huán)境狀態(tài)，包括不同類型的免疫細胞和成纖維細胞，解釋了為何某些EGFR突變型肺癌對治療反應各異，并為個性化醫(yī)療策略提供了理論依據(jù)。在同一組織切片內，LUAD No. 3展示了高度多樣化的微環(huán)境狀態(tài)，不同區(qū)域內腫瘤細胞與微環(huán)境成分（如CAFs和免疫細胞）之間存在顯著差異，特別是在未分化或侵襲性癌細胞簇的存在上，這表明腫瘤細胞可能發(fā)展出控制與基質細胞互動的能力，以排除免疫細胞攻擊。這些發(fā)現(xiàn)共同揭示了不同類型肺癌中腫瘤細胞如何適應并改變其微環(huán)境，從而促進自身生長和發(fā)展。

Fig2. LUAD No.3局部轉變?yōu)榍忠u性表型

3、侵襲性腺癌（IA）病例中腫瘤細胞及其周圍細胞的跨病例或切片評分

為了從更廣泛的角度概括具有空間特征的基因表達譜及其相互關聯(lián)，研究人員采用了PAGE分析等方法，將選定基因的空間表達模式轉換為活性評分，從而對多個IA病例進行了系統(tǒng)性比較。通過這種方法，研究團隊能夠一致地比較不同標本之間特定狀態(tài)區(qū)域寬度，并識別出惡性特征與CAF譜型的正相關以及侵襲特征與免疫細胞的負相關。這些結果為理解IA病例中腫瘤細胞與其微環(huán)境的關系提供了新的視角。

Fig3. 不同病例或切片的TME局部表達特征評

4、TME在單細胞水平上的驗證分析

為了驗證上述發(fā)現(xiàn)并在單細胞水平上進一步解析TME特征，研究團隊使用Xenium技術對五個標本進行了原位基因表達分析。通過單細胞分辨率的數(shù)據(jù)，研究人員不僅確認了之前的發(fā)現(xiàn)，還揭示了腫瘤細胞內部NKX2-1到HNF4A陽性轉變等新特征。此外，CCL22陽性和IDO1表達細胞的存在表明，即使在免疫抑制環(huán)境中，某些CD8+ T細胞仍保持細胞毒性活性。這一部分的研究強調了單細胞分析在揭示腫瘤微環(huán)境復雜性方面的價值

Fig4. LUAD No.2中TME的空間和單細胞表征

5、早期肺腺癌中的TME演變及免疫細胞互動

研究團隊進一步探討了極早期的肺腺癌（如AISs和MIAs）以及腫瘤進展早期階段的TME狀態(tài)變化。盡管大多數(shù)早期腫瘤表現(xiàn)為“分化良好”，但免疫細胞區(qū)域并未顯著減少，表明免疫反應已在早期發(fā)生。相比之下，“惡性”區(qū)域較小且分布稀疏，暗示著早期腫瘤尚未完全激活所有促癌通路。通過對這些早期病變的詳細分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些核心基因表達變化已經(jīng)開始向IA轉變的證據(jù)，為早期診斷和干預提供了理論支持。此外，研究團隊深入探討了腫瘤發(fā)展的更早階段是否已經(jīng)存在顯著的微環(huán)境變化。通過精細解析早期腫瘤微環(huán)境中免疫細胞的行為，他們發(fā)現(xiàn)炎癥淋巴細胞和巨噬細胞在“可能惡性”區(qū)域中更為活躍。特別是在TSU-33中，高水平的CCL19表達和B細胞浸潤提示了強烈的免疫反應。這些發(fā)現(xiàn)表明，即便是在早期腫瘤中，免疫細胞與腫瘤細胞之間的互動也起著關鍵作用，決定了癌癥細胞的命運。FABP4+和SPP1+巨噬細胞的共定位進一步證實了這一點，顯示了腫瘤細胞如何試圖突破免疫屏障以實現(xiàn)擴張。這些結果強調了早期TME狀態(tài)對腫瘤進展的重要影響，為理解早期癌癥的發(fā)展機制提供了新的視角。

Fig5. 極早期病例的TME表征

主要結論 

本研究展示了來自30名非侵襲性和侵襲性階段的肺癌腺癌患者的高分辨率空間轉錄組圖譜。結合空間轉錄組測序數(shù)據(jù)與原位RNA譜型分析，研究者對每個病例進行詳細的檢查�；�于觀察到的多樣化譜型及其后續(xù)計算分析揭示，腫瘤細胞表型的顯著變化通常伴隨著免疫細胞特征的變化。這一現(xiàn)象與一系列細胞表達程序的誘導相吻合，這些程序使腫瘤細胞能夠轉化并突破免疫細胞屏障，并繼續(xù)發(fā)展。這些結果揭示了肺癌如何通過與其微環(huán)境的相互作用而發(fā)展。

> 參考文獻：
Takano, Yuma et al. “Spatially resolved gene expression profiling of tumor microenvironment reveals key steps of lung adenocarcinoma development.” Nature communications vol. 15,1 10637. 6 Dec. 202