空間多組學(xué)技術(shù)揭示肺癌微環(huán)境的空間基因表達(dá)

編者按：

空間多組學(xué)技術(shù)正革新腫瘤研究，以很高的分辨率揭示組織內(nèi)部基因表達(dá)模式。本研究利用多種空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)平臺(tái)，深入解析了肺腺癌中腫瘤細(xì)胞與微環(huán)境的互動(dòng)，涵蓋早期病變至侵襲性癌癥。該技術(shù)不僅發(fā)現(xiàn)了早期免疫反應(yīng)的存在，還揭示了腫瘤進(jìn)展中的關(guān)鍵變化，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供了寶貴數(shù)據(jù)�？臻g多組學(xué)技術(shù)這一革命性工具，將開(kāi)啟肺癌研究新篇章。

研究背景 

非小細(xì)胞肺癌（NSCLC）是肺癌中最常見(jiàn)的類型，其中肺腺癌（LUAD）尤為普遍。腫瘤微環(huán)境（TME）復(fù)雜多樣，影響腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及治療反應(yīng)。借助空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)和單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，研究人員能夠高分辨率解析腫瘤內(nèi)部及其周圍組織的基因表達(dá)模式。本研究中，借助空間多組學(xué)技術(shù)，研究者探討了不同突變特征的LUAD病例中腫瘤細(xì)胞與微環(huán)境的相互作用，評(píng)估腫瘤細(xì)胞與其周圍細(xì)胞的關(guān)系，并通過(guò)單細(xì)胞水平驗(yàn)證分析揭示TME特征。此外，研究團(tuán)隊(duì)調(diào)查了早期LUAD及腫瘤進(jìn)展早期階段的TME狀態(tài)，解析免疫細(xì)胞在早期腫瘤微環(huán)境中的行為及其對(duì)腫瘤細(xì)胞命運(yùn)的影響。這些發(fā)現(xiàn)為理解早期癌癥發(fā)展機(jī)制提供了新視角，并為早期診斷和個(gè)性化治療策略奠定了基礎(chǔ)。

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(dá)譜揭示肺癌腺癌發(fā)展的關(guān)鍵步驟
發(fā)表時(shí)間：2024.12
期刊名稱：Nature Communications
影響因子：14.7
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：10x Genomics Xenium+10x visium空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序
DOI：10.1038/s41467-024-54671-7

研究結(jié)果 

1、研究設(shè)計(jì)概述

為了系統(tǒng)地理解肺癌微環(huán)境（TME）的復(fù)雜性和多樣性，研究團(tuán)隊(duì)采用了空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)和單細(xì)胞分辨率分析方法。通過(guò)整合Visium空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)與Xenium原位基因表達(dá)分析，研究人員旨在揭示腫瘤細(xì)胞與其微環(huán)境之間的相互作用機(jī)制。此外，該研究還特別關(guān)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(jìn)展的不同階段特征。

Fig1. 研究概述

2、空間表達(dá)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(xì)胞的空間分布及其與微環(huán)境的相互作用，研究團(tuán)隊(duì)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(dá)模式。通過(guò)空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)LUAD No. 2表現(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性，尤其是在腫瘤細(xì)胞與基質(zhì)細(xì)胞、免疫細(xì)胞之間的互動(dòng)方面。這類癌癥內(nèi)部存在復(fù)雜的基因表達(dá)特征，揭示了其獨(dú)特的生物學(xué)行為。對(duì)于LUAD No. 3，研究揭示了其內(nèi)部多樣化的微環(huán)境狀態(tài)，包括不同類型的免疫細(xì)胞和成纖維細(xì)胞，解釋了為何某些EGFR突變型肺癌對(duì)治療反應(yīng)各異，并為個(gè)性化醫(yī)療策略提供了理論依據(jù)。在同一組織切片內(nèi)，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(nèi)腫瘤細(xì)胞與微環(huán)境成分（如CAFs和免疫細(xì)胞）之間存在顯著差異，特別是在未分化或侵襲性癌細(xì)胞簇的存在上，這表明腫瘤細(xì)胞可能發(fā)展出控制與基質(zhì)細(xì)胞互動(dòng)的能力，以排除免疫細(xì)胞攻擊。這些發(fā)現(xiàn)共同揭示了不同類型肺癌中腫瘤細(xì)胞如何適應(yīng)并改變其微環(huán)境，從而促進(jìn)自身生長(zhǎng)和發(fā)展。

Fig2. LUAD No.3局部轉(zhuǎn)變?yōu)榍忠u性表型

3、侵襲性腺癌（IA）病例中腫瘤細(xì)胞及其周圍細(xì)胞的跨病例或切片評(píng)分

為了從更廣泛的角度概括具有空間特征的基因表達(dá)譜及其相互關(guān)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(dá)模式轉(zhuǎn)換為活性評(píng)分，從而對(duì)多個(gè)IA病例進(jìn)行了系統(tǒng)性比較。通過(guò)這種方法，研究團(tuán)隊(duì)能夠一致地比較不同標(biāo)本之間特定狀態(tài)區(qū)域?qū)挾�，并識(shí)別出惡性特征與CAF譜型的正相關(guān)以及侵襲特征與免疫細(xì)胞的負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果為理解IA病例中腫瘤細(xì)胞與其微環(huán)境的關(guān)系提供了新的視角。

Fig3. 不同病例或切片的TME局部表達(dá)特征評(píng)

4、TME在單細(xì)胞水平上的驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證上述發(fā)現(xiàn)并在單細(xì)胞水平上進(jìn)一步解析TME特征，研究團(tuán)隊(duì)使用Xenium技術(shù)對(duì)五個(gè)標(biāo)本進(jìn)行了原位基因表達(dá)分析。通過(guò)單細(xì)胞分辨率的數(shù)據(jù)，研究人員不僅確認(rèn)了之前的發(fā)現(xiàn)，還揭示了腫瘤細(xì)胞內(nèi)部NKX2-1到HNF4A陽(yáng)性轉(zhuǎn)變等新特征。此外，CCL22陽(yáng)性和IDO1表達(dá)細(xì)胞的存在表明，即使在免疫抑制環(huán)境中，某些CD8+ T細(xì)胞仍保持細(xì)胞毒性活性。這一部分的研究強(qiáng)調(diào)了單細(xì)胞分析在揭示腫瘤微環(huán)境復(fù)雜性方面的價(jià)值

Fig4. LUAD No.2中TME的空間和單細(xì)胞表征

5、早期肺腺癌中的TME演變及免疫細(xì)胞互動(dòng)

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探討了極早期的肺腺癌（如AISs和MIAs）以及腫瘤進(jìn)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(xì)胞區(qū)域并未顯著減少，表明免疫反應(yīng)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(guò)對(duì)這些早期病變的詳細(xì)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些核心基因表達(dá)變化已經(jīng)開(kāi)始向IA轉(zhuǎn)變的證據(jù)，為早期診斷和干預(yù)提供了理論支持。此外，研究團(tuán)隊(duì)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(guò)精細(xì)解析早期腫瘤微環(huán)境中免疫細(xì)胞的行為，他們發(fā)現(xiàn)炎癥淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)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(dá)和B細(xì)胞浸潤(rùn)提示了強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)表明，即便是在早期腫瘤中，免疫細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞之間的互動(dòng)也起著關(guān)鍵作用，決定了癌癥細(xì)胞的命運(yùn)。FABP4+和SPP1+巨噬細(xì)胞的共定位進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)，顯示了腫瘤細(xì)胞如何試圖突破免疫屏障以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了早期TME狀態(tài)對(duì)腫瘤進(jìn)展的重要影響，為理解早期癌癥的發(fā)展機(jī)制提供了新的視角。

Fig5. 極早期病例的TME表征

主要結(jié)論 

本研究展示了來(lái)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(zhuǎn)錄組圖譜。結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)與原位RNA譜型分析，研究者對(duì)每個(gè)病例進(jìn)行詳細(xì)的檢查。基于觀察到的多樣化譜型及其后續(xù)計(jì)算分析揭示，腫瘤細(xì)胞表型的顯著變化通常伴隨著免疫細(xì)胞特征的變化。這一現(xiàn)象與一系列細(xì)胞表達(dá)程序的誘導(dǎo)相吻合，這些程序使腫瘤細(xì)胞能夠轉(zhuǎn)化并突破免疫細(xì)胞屏障，并繼續(xù)發(fā)展。這些結(jié)果揭示了肺癌如何通過(guò)與其微環(huán)境的相互作用而發(fā)展。

> 參考文獻(xiàn)：
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