《Critical Reviews in Oncology/Hematology》：Integrated Single?Cell and Spatial Transcriptomics Reveal the Colorectal Cancer Microenvironment
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本文创新性整合单细胞测序与空间转录组技术，系统解析结直肠癌异质性及微环境互作网络，揭示免疫排除区（CAFs介导的ECM屏障与SPP1+ TAMs）、免疫活性区（T细胞-髓系协作）及TLS相关域（激活与抑制微环境共存），发现MGP高表达上皮细胞驱动肝转移（NF-κB介导PD-L1上调）、SPP1+ CAFs构建免疫抑制转移灶、IL1R1+ iCAFs诱导M2极化等机制，提出TIMP1、SPP1+ CAFs等生物标志物及MDK-SDC4轴等治疗靶点，为精准诊疗提供理论框架。
杨瑞涵|胡世佳|李开帆|王浩毅|周翔|韩涛|关丽萍
河南医科大学基础医学院，中国河南省新乡市453003
摘要
结直肠癌（CRC）是一种全球发病率和死亡率均较高的恶性肿瘤，亟需创新方法来解析其生物学特性和临床行为。单细胞测序与空间转录组学的结合已成为CRC研究中的革命性工具。单细胞测序揭示了肿瘤的异质性和相互作用网络，而空间转录组学则精确地绘制了肿瘤微环境（TME）内的细胞分布和组织结构。这种综合方法揭示了空间组织的肿瘤-基质-免疫网络——包括由CAF介导的ECM屏障和SPP1? TAMs构成的免疫排斥区、以T细胞-髓系细胞合作为特征的免疫活性生态位，以及具有激活性和抑制性微环境的TLS相关区域。关键发现包括：通过NF-κB介导的PD-L1上调驱动肝转移的MGP高表达上皮细胞、形成免疫抑制性转移生态位的SPP1? CAFs，以及功能验证的机制，如IL1R1? iCAFs诱导M2极化以及MDK–SDC4相互作用促进Treg迁移。这些发现确定了具有临床意义的候选生物标志物（例如TIMP1、SPP1? CAFs）和潜在治疗靶点（例如IL1R1? iCAFs、MDK–SDC4轴）。本文总结了这些集成技术在CRC研究中的应用进展，讨论了它们在表征肿瘤、推进精准诊断和治疗方面的前景和挑战，并提出了指导未来CRC研究和治疗的理论框架。
引言
CRC在患者间和肿瘤内存在显著的分子异质性（基因组、转录组、表观遗传学和肿瘤微环境层面）（Dekker等人，2019年）。CRC的早期分期系统可以追溯到1932年的Dukes分类法，该方法根据肿瘤扩散程度将肿瘤分为A、B、C三个阶段。随后Astler-Coller对该系统进行了修改，最终发展成1977年引入的TNM分期系统，该系统逐步纳入了肿瘤侵袭深度（T）、淋巴结受累（N）和远处转移（M）等参数。然而，传统的病理分型主要关注解剖学特征，未能捕捉肿瘤的分子特性和生物学行为（Banias等人，2022年）。随着精准医学的发展，对肿瘤进行精细分子分型的需求日益增加。目前的分类系统，如共识分子亚型（CMS1-CMS4）（Dienstmann等人，2017年）和错配修复（MMR）状态亚型（错配修复缺陷[dMMR]/微卫星不稳定[MSI-H] vs. 错配修复完好[pMMR]/微卫星稳定[MSS]）（Pelka等人，2021年），能够识别肿瘤亚型的特定分子特征（如BRAF突变），从而有助于个体化预后和治疗决策（Guinney等人，2015年）。然而，基于这些分子分型的临床转化仍面临挑战；例如，同一CMS亚型内的患者在免疫治疗反应上存在显著异质性。这主要是因为当前的分型方法主要依赖于批量测序技术。这些方法存在局限性，包括空间异质性的丢失（Valdeolivas等人，2024年）、细胞特异性信号的模糊（Joanito等人，2022年）以及免疫微环境分型的偏差（Pelka等人，2021年）。因此，为了阐明肿瘤细胞在其天然组织结构中的空间分布及其与微环境的相互作用，并克服传统批量测序的局限性，迫切需要集成能够同时实现单细胞分辨率和空间背景的新技术。
单细胞RNA测序（scRNA-seq）利用分子条形码（例如独特的分子标识符[UMIs]）实现单细胞分辨率，从而能够解析细胞类型、发育轨迹和调控网络（Svensson等人，2018年）。然而，它缺乏空间背景信息。空间转录组学（ST）通过原位mRNA捕获保留了组织结构（St?hl等人，2016年），但分辨率有限（Rao等人，2021年）。为了克服这些限制，使用细胞类型反卷积算法（如Spotlight和cell2location（Moses和Pachter，2022年））可以实现高精度的细胞-空间映射。这种综合方法已成为将细胞异质性与肿瘤微环境中空间组织的功能状态联系起来的重要框架。
节选内容
解析肿瘤细胞异质性
单细胞测序技术在癌症研究中经历了革命性的发展，逐步揭示了肿瘤发展的动态特征（表1）。单细胞测序技术通过分析表达EPCAM和KRT18的上皮细胞亚群，揭示了CRC细胞组成的复杂异质性。在原发肿瘤和转移灶（如肝脏和卵巢中的肿瘤）中，存在一类具有高ASCL2?表达的干细胞样上皮亚群。结直肠癌中的空间免疫梯度
空间转录组学越来越多地被用于表征结直肠癌中肿瘤进展和免疫重塑的空间组织（表2）。CRC表现出连续的空间转变（Lin等人，2023年），其免疫微环境从“免疫排斥”区域逐渐发展为“免疫活性”区域，再进一步发展为“TLS相关”区域。在免疫排斥的核心区域，存在ASCL2?/PTPRO?的干细胞样上皮细胞（Rao等人，2021年）和SPP1?巨噬细胞。单细胞和空间转录组学的综合分析策略
虽然scRNA-seq能够解析细胞异质性，但它需要组织分离，这会丢失空间信息。ST（例如10x Visium）通过组织切片保留了空间坐标；然而，其点级分辨率需要与scRNA-seq结合才能实现高精度映射（Longo等人，2021年）。SPOTlight算法通过将细胞类型映射到空间坐标来实现细胞反卷积。例如，CD8? T细胞可以分为活化型（GZMB?）和耗竭型（PD-1?）。生物标志物的发现
空间转录组学使得在结直肠癌中识别出一系列空间分辨的生物标志物，其中一些对患者分层和预后评估具有潜在意义。对2014-2023年间的全球文献进行横断面信息学分析发现，“肿瘤生物标志物”成为该领域一个虽小但快速增长的研究方向，强调了大数据驱动的预测性生物标志物的重要性。关键综述
结合单细胞和空间转录组学的技术革命正在解构控制结直肠癌生态系统的时空原理。通过在单细胞分辨率下绘制肿瘤异质性并揭示细胞、分子和微环境内功能的三维相互作用，这种双重方法推动了三个范式的转变。首先，单细胞技术解析了细胞身份的多样性（例如CAF亚型、耗竭的T细胞等）。未来方向
未来的研究应解决三个相互关联的优先事项。首先，目前大多数CRC的空间研究仅提供静态的组织快照，无法区分治疗相关的空间生态位是预先存在的还是在治疗过程中出现的。对匹配的治前、治疗中和治疗后样本进行纵向空间多组学分析，可以定义与耐药性相关的生态位和潜在的相互作用轴。将这些发现与基质中的功能验证相结合……作者贡献
概念构思：L.G.、T.H.和X.Z.；初稿撰写：R.Y.和S.H.；审阅和编辑：R.Y.和L.G.；图表制作：X.Z.；可视化：H.W.和K.L.；监督：T.H.和L.G.；资金获取：T.H.和X.Z.所有作者都阅读了最终版本的手稿并同意其发表。未引用的参考文献
(Zhou等人，2024年；Zhou等人，2024年)资助
本研究部分得到了中国国家自然科学基金（82172891资助T.H.，82273098资助X.Z.）、河南省国际科技合作项目（252102521001资助T.H.）、新乡医科大学人才支持计划（505559资助T.H.）和新乡医科大学博士基金（XYBSKYZZ202001资助T.H.）的支持。利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本研究工作的利益冲突。致谢
我们感谢Han实验室的所有成员提供的宝贵意见和帮助。由于篇幅限制，我们未能引用该领域的许多重要论文。杨瑞涵从事肿瘤学和胃肠道疾病的研究，她的研究兴趣集中在结直肠癌的肿瘤微环境重塑和空间组学分析上，特别关注免疫调节和转化应用。
