編者按：

空間多組學技術(shù)正革新腫瘤研究，以很高的分辨率揭示組織內(nèi)部基因表達模式。本研究利用多種空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)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(shù)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(shù)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(zhuǎn)錄組學和單細胞測序技術(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模式。本研究中，借助空間多組學技術(shù)，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(diào)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(zhuǎn)錄組測序
DOI：10.1038/s41467-024-54671-7

研究結(jié)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(zhuǎn)錄組學技術(shù)和單細胞分辨率分析方法。通過整合Visium空間轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄組學技術(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，尤其是在腫瘤細胞與基質(zhì)細胞、免疫細胞之間的互動方面。這類癌癥內(nèi)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(nèi)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(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(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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?qū)挾�，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(jié)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(shù)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(nèi)部NKX2-1到HNF4A陽性轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)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(jié)果強調(diào)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(jié)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(zhuǎn)錄組圖譜。結(jié)合空間轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化并突破免疫細胞屏障，并繼續(xù)發(fā)展。這些結(jié)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