3D 空间转录组与 ECM 成像联合：精准剖析肿瘤微环境中细胞相互作用的新利器

这篇研究将 3D 空间转录组（ST）与细胞外基质（ECM）成像相结合，分析非小细胞肺癌（NSCLC）样本，系统量化肿瘤微环境（TME）中分子状态等，揭示肿瘤进展机制，为微环境导向疗法提供依据，极具临床应用潜力。

　　### 研究背景
在肿瘤研究领域，肿瘤并非孤立的细胞集合体，而是一个复杂的生态系统。肿瘤细胞与周围的细胞外基质（ECM）以及恶性和非恶性的间质细胞、免疫细胞紧密相连。在肿瘤微环境（TME）中，细胞 - ECM 和细胞 - 细胞之间的相互作用对肿瘤表型的塑造以及 TME 的发展方向有着至关重要的影响，它们既可以促进肿瘤的生长，也可能有助于肿瘤的抑制。例如，ECM 不仅为肿瘤、间质和免疫细胞的迁移提供物理基础，还能通过 ECM - 受体相互作用直接影响癌症的各个特征，同时间接调节趋化因子和生长因子的可用性。免疫疗法的成功也证明，阻断特定的细胞 - 细胞通讯轴能够重塑 TME，为部分患者带来持续的治疗效果。

然而，目前临床中的肿瘤分子 profiling 主要依赖于对肿瘤基因组和转录组的批量分析，这种方法无法捕捉 TME 的异质性和空间组织信息。单细胞组学虽然能够对 TME 的细胞和分子组成进行分析，但组织解离过程会导致细胞位置信息的丢失，无法研究相邻细胞间的相互作用。空间转录组（ST）方法虽能在完整组织切片中绘制基因表达图谱，但高分辨率的 ST 方法尚未用于三维（3D）重建福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）标本，且组织分子特性与 ECM 组成的研究仍相互分离。因此，深入整合研究 TME 中的 ECM 组成和细胞 - 细胞相互作用，对于精准定位肿瘤进展的驱动因素、识别个体肿瘤的治疗靶点具有重要意义。

研究方法

研究聚焦于一位早期非小细胞肺癌（NSCLC）患者，该患者病情进展迅速且肿瘤生物学行为具有侵袭性。研究人员从其常规收集的 FFPE 肿瘤组织块中切取 34 个连续的 5μm 厚组织切片，采用多种技术进行多模态分析。利用深度学习对全切片苏木精 - 伊红（H&E）图像进行分类，选取包含原发性肿瘤和癌相关间质的 16mm2 感兴趣区域（ROI）进行 ST 研究。通过 CosMx 进行 1000 重 RNA 原位杂交（ISH），结合深度学习的细胞核和质膜分割，获取单细胞基因表达谱，对 960 个癌症相关基因进行分析。同时，利用二次谐波成像（SHG）对 ECM 中的弹性蛋白和胶原蛋白进行定量分析，并通过免疫荧光（IF）对相关结果进行验证。此外，研究人员还运用计算方法对分析的切片进行 3D 对齐，构建 NSCLC 的 3D 多模态图谱。

研究结果

1. 多模态研究 NSCLC 肿瘤：通过多种技术结合，研究人员成功生成了高质量、单细胞分辨率的 TME 分子图谱，涵盖了 18 种上皮、间质和免疫细胞类型的 340,000 多个细胞。
2. 3D 邻域揭示 TME 的多细胞生态位：利用 STIM 对 ST 数据进行计算对齐，重建 3D 细胞邻域，识别出 10 个不同的多细胞生态位，包括肺驻留上皮和间质生态位以及 TME 特异性的肿瘤、间质和免疫生态位。这些生态位与常规组织学中可见的组织结构密切相关，并对其进行了更细致的注释。
3. 3D 邻域改善免疫生态位的识别和空间映射：与 2D 邻域相比，3D 邻域包含更多细胞和更高的细胞类型多样性，能够更好地识别和定位免疫生态位，如在 2D 中未能识别的树突状细胞生态位在 3D 分析中得以确认，且 3D 分析揭示了 T 细胞生态位的空间连续性。
4. 3D 邻域研究 TME 中配体 - 受体相互作用：通过在 3D 细胞邻域中敏感检测受体和配体转录本，研究人员估计了 480 对受体 - 配体的空间活性，确定了 96 种在特定生态位中富集的配体，这些配体参与了多种细胞过程，如细胞黏附、免疫细胞招募等。
5. 树突状细胞生态位中的免疫抑制相互作用：在树突状细胞生态位中，研究发现了免疫检查点等关键免疫调节信号的富集，肿瘤细胞、成纤维细胞和免疫细胞之间存在复杂的相互作用网络，这些相互作用抑制了局部抗肿瘤免疫反应，但也为免疫治疗提供了潜在的靶点。
6. SHG 研究 ECM 在细胞邻域中的作用：SHG 分析显示 TME 中的 ECM 具有异质性，且在肿瘤进展过程中发生动态变化，从弹性肺 ECM 逐渐转变为僵硬的、富含胶原蛋白的基质。研究还确定了不同 ECM 区域中细胞类型的富集情况，以及成纤维细胞表型与 ECM 组成的密切关系。
7. 多模态空间分析揭示肿瘤浸润机制：通过对肿瘤细胞的伪时间分析，发现上皮 - 间质转化（EMT）在肿瘤表面的一个特定区域（EMT 生态位）已经发生，早于肿瘤细胞浸润到周围基质。该区域存在一个类似伤口愈合的多细胞程序，激活了肿瘤细胞的整合素信号，促进了肿瘤的侵袭。

研究讨论

本研究首次通过计算重建和多模态分析 3D 细胞邻域，将高重单细胞分辨率的 ST 数据与 ECM 成像相结合，揭示了 TME 中多细胞生态位的组织方式以及生态位特异性的分子机制。3D 邻域分析在免疫生态位的识别和表征方面具有显著优势，同时 SHG 和多模态分析深入揭示了 ECM 动态变化以及成纤维细胞在 TME 中的功能。此外，研究还发现了肿瘤表面的 EMT 生态位以及其独特的分子程序，为理解肿瘤侵袭机制提供了新的视角。

从临床应用角度来看，本研究的多模态方法能够精准确定与肿瘤侵袭和免疫逃逸相关的机制，为个性化治疗提供了有力支持。例如，通过对细胞 - 细胞相互作用的高重量化，可以为联合治疗提供新的思路，如将免疫检查点抑制剂与细胞内整合素信号的小分子抑制剂联合使用，有望同时激活抗肿瘤免疫反应和抑制肿瘤侵袭。虽然目前在细胞邻域的定义和相关技术方面仍存在一些挑战，但随着技术的不断发展和 3D 数据集的日益丰富，未来有望进一步优化研究方法，为肿瘤治疗带来更多突破。本研究为在分子肿瘤学中整合高重检测方法提供了原理验证，为大规模临床研究评估基于机制的个性化治疗靶点的临床益处奠定了基础。