单细胞分辨率空间分析揭示抗原呈递癌症相关成纤维细胞微环境异质性及其在肿瘤进展中的双重作用

本研究针对抗原呈递癌症相关成纤维细胞(apCAF)起源与功能机制不明的关键问题，通过整合15种组织类型超250万个细胞的单细胞转录组数据，首次在跨癌种尺度上鉴定出两种截然不同的apCAF亚群：间皮来源M-apCAF和纤维细胞来源F-apCAF。利用高分辨率空间成像技术揭示其分别定位于癌细胞邻近区与淋巴细胞富集区，并发现两者均高表达SPP1（分泌性磷蛋白1）驱动肿瘤生长、转移及治疗抵抗。该研究为靶向apCAF亚型提供了全新理论依据和治疗策略。

　　

在肿瘤微环境的复杂生态中，癌症相关成纤维细胞(CAF)一直扮演着多重角色，尤其是近年来发现的抗原呈递CAF(apCAF)亚型更显得神秘莫测。这些细胞虽然表达主要组织相容性复合体II类(MHC II)分子，具备抗原呈递能力，但其起源、分布和功能机制却始终笼罩在迷雾中。更令人困惑的是，不同研究中对apCAF的描述存在明显矛盾——有些研究显示它们能促进抗肿瘤免疫，而另一些则表明其具有免疫抑制作用。这种巨大的认知鸿沟严重阻碍了针对CAF的精准治疗策略的开发。

为了解决这一难题，Chen等人开展了跨癌种的系统性研究，他们的成果以《Single-cell resolution spatial analysis of antigen-presenting cancer-associated fibroblast niches》为题发表在《Cancer Cell》上。研究团队整合了来自15种组织和实体瘤的532个样本、超过250万个细胞的单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据，构建了迄今为止最全面的成纤维细胞分子图谱。通过先进的空间转录组学技术，包括Nanostring GeoMx全转录组分析和10X Genomics Xenium原位高通量空间成像，他们在单细胞分辨率上揭示了apCAF的空间分布特征和功能特性。

研究人员采用了多种关键技术方法：整合性单细胞转录组分析（涵盖15种组织类型的532个样本）；高分辨率空间转录组学（GeoMx全转录组图谱和Xenium原位成像）；配体-受体相互作用分析；SCENIC基因调控网络推断；体内功能验证实验（使用Spp1基因敲除小鼠和抗SPP1单克隆抗体处理）；以及临床样本的多重免疫组化验证（包括8例腹膜转移和30例胰腺癌患者样本）。

研究首先通过对大规模单细胞数据的整合分析，意外地发现了两个截然不同的apCAF群体存在于大多数癌症类型中。其中一个群体与间皮样细胞相关，表达MSLN、UPK3B和KRT19等间皮标志基因，被命名为M-apCAF；另一个群体则具有纤维细胞特征，表达PTPRC(CD45)、CD37和CD52等造血系统标志物，被命名为F-apCAF。这一发现立即解释了以往研究中关于apCAF功能的矛盾结果——原来研究者们观察到的是两种完全不同来源的细胞群体。

更令人惊讶的是，虽然这两个apCAF群体来源不同，但它们都高表达SPP1基因。SPP1（分泌性磷蛋白1，也称为骨桥蛋白）是一种高度磷酸化的分泌蛋白，在肿瘤环境中作为急性期蛋白上调表达，与炎症和纤维化反应密切相关。在癌症中，SPP1通过促进细胞可塑性和化疗耐药性发挥多方面的促瘤功能，并作为T细胞的免疫检查点分子。

为了理解这两个apCAF亚群形成的基质微环境，研究人员使用高分辨率单细胞空间成像平台对CAF亚型特征进行空间解卷积。这一分析揭示了令人震惊的空间分布规律：间皮样apCAF位于癌细胞附近，而纤维细胞样apCAF则与淋巴细胞富集区域密切相关。这种空间分布的特异性为理解它们的不同功能提供了重要线索。

研究团队选择腹膜转移(PM)作为关键模型来深入探索apCAF的功能。腹膜是一个复杂的组织，包含多种基质细胞，包括间皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞和免疫细胞。这种特殊的微环境可能有助于转移过程中apCAF的形成。通过对8例结肠癌来源的PM患者标本进行空间转录组分析，研究人员发现PM上皮细胞存在两种分子亚型：iCMS2样和iCMS3样。其中iCMS3上皮细胞与显著的PM风险增加相关（相对风险=16.5，p=0.005），这表明iCMS3上皮细胞是PM的潜在驱动因素。

进一步的空间分析显示，在含有iCMS3癌细胞的样本中，F-apCAF是淋巴细胞富集区域中最丰富的细胞类型。这些F-apCAF虽然表达造血标志物CD45，但同时 robustly 表达成纤维细胞特异性基因（COL1A2、COL1A1、COL3A1和PDGFRA），这明确将它们与免疫细胞群体区分开来。重要的是，F-apCAF与淋巴细胞聚集体的距离（平均37.86μm）明显比myCAF（平均66.06μm）更近，表明它们之间存在更密切的相互作用。

配体-受体相互作用分析揭示了F-apCAF通过CCL5等趋化因子招募淋巴细胞和单核细胞的重要功能，但同时他们也表达免疫抑制基因如SPP1和LAIR1，这表明F-apCAF在炎症性肿瘤中扮演着复杂的免疫调节角色。

相比之下，M-apCAF显示出更多情境依赖的空间分布。由于腹膜被间皮细胞覆盖，癌症转移到这个部位可能通过直接的间皮细胞相互作用诱导M-apCAF形成。这些M-apCAF表达细胞角蛋白基因，通常位于细胞角蛋白阳性间皮细胞附近。在细胞角蛋白阳性CAF浸润明显的样本中，空间转录组细胞类型解卷积和微环境组成分析确定了独特的间皮富集微环境，其中包含M-apCAF(23.89%)、髓系细胞(15.48%)和T细胞(12.38%)。

值得注意的是，间皮富集微环境中的T细胞高表达抑制性标志物（TIGIT、CTLA4、LAG3、PDCD1、ICOS、FOXP3），这表明M-apCAF可能驱动局部免疫抑制而非免疫激活。

功能实验证实了SPP1在肿瘤进展中的关键作用。添加SPP1蛋白显著增强，而抗SPP1单克隆抗体则抑制癌细胞的迁移和侵袭能力。更重要的是，宿主Spp1基因敲除显著减少了腹膜转移和腹水形成，这一表型通过用抗SPP1单克隆抗体治疗野生型PM携带小鼠得以重现。

为了特异性评估apCAF来源的SPP1的重要性，研究人员从野生型或Spp1敲除小鼠的PM结节中分离出apCAF，并将其与MC38细胞共培养进行集落形成和Matrigel侵袭实验。apCAF分泌的SPP1显著增加了MC38的集落形成和侵袭能力，而抗SPP1单克隆抗体抑制了这种效应。

研究还发现apCAF在胰腺导管腺癌(PDAC)中同样形成SPP1阳性微环境。在化疗放疗治疗后，组织变得更加纤维化，CAF比例增大。耐药的癌症细胞2群体特征性地高表达SPP1，创建了SPP1+肿瘤上皮细胞遍布组织的现象。引人注目的是，M-apCAF在SPP1+肿瘤区域富集，这些区域也含有浸润的SPP1+髓系细胞，代表着促肿瘤极化。

机制研究表明，apCAF来源的SPP1通过促进myCAF分化直接促进了纤维化屏障的形成。当将胰腺星状细胞与TGFβ（myCAF分化的主要信号）一起培养时，在野生型apCAF存在的情况下，apCAF来源的SPP1显著促进了myCAF分化，表现为 progenitor基因(Pi16)表达减少和成熟myCAF标志物(Postn、Acta2、Lrrc15)表达增加。

这项研究的结论强调了apCAF亚型的异质性和功能多样性。两个截然不同的apCAF群体——M-apCAF和F-apCAF——在大多数实体肿瘤中存在，但它们具有不同的细胞起源和空间分布特征。M-apCAF来源于间皮细胞，定位于癌细胞附近；而F-apCAF来源于纤维细胞，与淋巴细胞富集区域密切相关。尽管来源不同，这两个群体都高表达SPP1，成为驱动肿瘤进展的关键分子。

这些发现不仅解决了长期以来关于apCAF功能的争议，还为开发针对特定CAF亚型的精准治疗策略提供了重要理论基础。特别是SPP1作为两个apCAF群体的共同关键效应分子，成为了极具前景的治疗靶点。考虑到人源化SPP1抗体已经在其他疾病的临床试验中，这项研究为将SPP1靶向治疗应用于癌症治疗提供了强有力的科学依据。

该研究的重大意义在于提供了前所未有的分辨率来分析apCAF及其空间微环境，推动了我们对这个知之甚少的CAF亚型的理解。未来研究应整合复杂的遗传谱系追踪工具来明确绘制apCAF群体的发育轨迹，这将进一步增强我们对肿瘤微环境中apCAF不同起源和功能的理解。同时，针对SPP1的治疗策略值得在临床环境中进一步探索，特别是在克服化疗放疗和免疫治疗抵抗方面。