综述：分子成像工具推动肿瘤微生物群多模态成像技术的进步

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Molecular Imaging Tools Driving Advances in Multimodal Imaging of the Tumor Microbiota

肿瘤微环境（TME）中的菌群通过复杂机制影响癌症进展、治疗抵抗和免疫调节。研究聚焦于成像策略（如荧光原位杂交、代谢探针）与多组学技术（16S rRNA测序、代谢组学、转录组学）结合分析菌群分布及功能，并探讨工程菌载体和菌群靶向治疗策略。挑战包括污染控制、多组学数据整合及因果关联建立，未来需发展选择性成像探针、标准化分析流程及临床转化应用。

　　

张祖英|彭涛|苏敏|王雅|陈思凯|谢振明|李娟

中国科学技术大学化学与材料学院，安徽合肥230026，中华人民共和国

摘要

肿瘤微环境（TME）中存在多种微生物群，它们通过复杂的机制影响癌症的进展、治疗耐药性和免疫调节。本文综述了用于探测肿瘤微生物群的多模态分析方法的最新进展。成像策略包括基于核酸和代谢的探针，用于实时追踪微生物群，同时结合了纳米探针和集成多模态成像平台。测序方法涵盖了16S rRNA基因谱分析以确定微生物组成、宏基因组学用于分类鉴定、转录组学用于功能活性分析，以及代谢组学用于识别微生物产生的效应代谢物。与此同时，创新的治疗概念也在不断涌现，例如将工程细菌作为肿瘤靶向药物载体，以及利用肿瘤微生物群作为治疗靶点。尽管取得了这些进展，但仍存在一些关键挑战，如污染控制、多组学数据的整合，以及建立微生物群与肿瘤生物学之间的因果关系。未来的研究方向将重点放在开发选择性成像探针、标准化分析协议，以及将肿瘤微生物群研究应用于临床诊断和免疫治疗。

引言

肿瘤微环境（TME）是一个由肿瘤细胞、免疫细胞、基质成分和信号分子组成的复杂且不断演变的生态系统，在肿瘤发生、进展和治疗反应中起着重要作用[1]。最近的研究揭示了TME中一个之前被忽视的关键因素：肿瘤微生物群。肿瘤内的缺氧、酸性环境以及丰富的营养物质为严格厌氧菌和兼性厌氧菌的增殖提供了自然优势[2]。越来越多的证据证实不同类型的肿瘤中存在多种微生物群。在一项开创性的研究中，Straussman团队[3]对1,526个肿瘤及其相邻的正常组织（包括乳腺癌、肺癌、卵巢癌、胰腺癌、黑色素瘤、骨癌和脑癌）中的微生物群进行了全面分析。他们发现所有类型的肿瘤中都存在细菌，主要分布在肿瘤细胞和免疫细胞内。总体而言，TME可以形成一个免疫保护性的环境，使微生物群能够逃避宿主的免疫防御并增殖[2]。

不同肿瘤中的微生物群通过不同的机制影响癌症。一些细菌通过多种途径促进恶性进展：细菌可以通过影响宿主细胞的基因组稳定性来促进肿瘤发生[4]；各种细菌效应因子和粘附素可激活致癌信号通路[5]；由微生物感染引起的持续性慢性炎症与癌症发病机制有关[6]；肿瘤微生物群还会诱导免疫抑制反应[7]。除了促进肿瘤进展外，肿瘤微生物群还在诱导治疗耐药性方面发挥重要作用：产肠毒素的脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）分泌毒素蛋白BFT-1，该蛋白与NOD1结合，从而促进乳腺癌干细胞的干性和化疗耐药性[8]；弗氏柠檬酸杆菌（Citrobacter freundii）通过代谢5-氟尿嘧啶来促进胰腺癌的化疗耐药性[9]。

然而，并非所有细菌都对肿瘤有负面影响。一些细菌可以增强抗肿瘤免疫反应并抑制肿瘤进展：在长期存活的胰腺导管腺癌（PDAC）患者中发现的独特微生物群，尤其是Pseudoxanthomonas、Saccharopolyspora、Streptomyces属以及Bacillus clausii种，可能有助于形成有利的TME环境，促进CD8⁺ T细胞招募和激活，成为潜在的预后生物标志物[10]；TME中Bifidobacterium的积累可以有效刺激STING信号通路，并在抗CD47治疗后增强树突状细胞（DCs）的交叉呈递功能[11]。因此，肿瘤微生物群可以通过多种途径影响肿瘤免疫，既可能促进肿瘤进展，也可能抑制肿瘤生长，这反映了微生物群与肿瘤相互作用的复杂性。关于微生物群如何影响肿瘤的机制已在多篇优秀综述中进行了详细阐述[12],[13],[14],[15],[16]，因此这里不再详细讨论。我们重点介绍研究肿瘤微生物群的关键方法，系统总结当前研究微生物群-肿瘤相互作用的方法，以及这些相互作用如何调节癌症治疗。

鉴于人们对微生物群介导的肿瘤治疗潜力的关注日益增加，需要更有效的分析工具来成像肿瘤微生物群的分布，使用多种方法准确鉴定其种类，并揭示其功能机制。将标记探针与先进的成像技术相结合是可视化微生物群-肿瘤相互作用的核心，有助于解析肿瘤内细菌的空间分布，为肿瘤诊断和治疗开辟新的途径。其次，深入研究肿瘤微生物群需要多组学技术的综合应用，使研究人员能够更全面地了解肿瘤微生物群的生物学特性及其对肿瘤进展的影响，从而推进肿瘤诊断和治疗策略的发展。

在本文中，我们讨论了当前用于研究肿瘤微生物群的研究方法，包括成像策略和组学技术。我们的目标是概述当前的研究进展、应用实例、存在的挑战和未来发展方向，为未来将肿瘤微生物群作为癌症诊断、治疗工具和潜在生物标志物的探索提供见解。

部分摘录

基于核酸和抗体的标记

荧光原位杂交（FISH）是一种广泛用于检测肿瘤微生物群的分子细胞遗传学技术。该技术利用与目标细菌16S rRNA（核糖体RNA）特定序列互补的荧光DNA探针[17]。此外，免疫组织化学（IHC）或免疫荧光（IF）等免疫学技术也被广泛用于检测和定位肿瘤微生物群。其核心原理是使用特异性抗体

用于肿瘤微生物群的多组学技术

准确识别肿瘤微生物群对于理解其在肿瘤中的作用至关重要。由于高通量测序具有高准确性和丰富的组学数据，因此被广泛用于肿瘤微生物的鉴定。

基于肿瘤微生物群的抗肿瘤策略

随着对肿瘤微生物群理解的深入，基于肿瘤微生物群的诊断和治疗策略正在迅速发展。目前出现了两种主要策略来利用肿瘤微生物群进行治疗：第一种策略利用细菌对TME的自然趋向性和定植能力，将工程细菌作为活载体来输送成像剂或治疗药物，以实现监测和靶向治疗；第二种策略则利用特定的肿瘤微生物群或其

未来展望与挑战

肿瘤微生物群通过与肿瘤细胞的动态相互作用成为肿瘤微环境中的关键调节因子，处于癌症研究的前沿。我们系统地回顾了目前用于研究这些相互作用的核心技术和战略方法。对于标记和成像，FISH与IHC/IF的结合可以实现肿瘤相关微生物群的原位验证和空间映射。同时，基于氨基酸的代谢探针

CRediT作者贡献声明

陈思凯：撰写——审稿与编辑。王雅：撰写——审稿与编辑。张祖英：撰写——初稿撰写、研究设计、概念构思。苏敏：撰写——审稿与编辑。彭涛：撰写——审稿与编辑、研究设计。李娟：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念构思。谢振明：撰写——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

本文描述的研究未使用任何数据。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国科学院战略性重点研究计划（项目编号XDB1020000）和浙江省的先锋研发计划（2024SDYXS0003）的支持。本文中的图表是用BioRender科学图像和插图软件平台创建的（https://www.biorender.com/）。