局部晚期胃癌肿瘤微环境特征解析及与新辅助免疫化疗获益相关的空间预测生物标志物鉴定

《Frontiers in Immunology》：Characterization of the tumor microenvironment in locally advanced gastric cancer and identification of spatially predictive biomarkers associated with beneficial neoadjuvant immunochemotherapy

　　

背景：新辅助免疫化疗（neoadjuvant immunochemotherapy, nICT）已成为局部晚期胃癌（locally advanced gastric cancer, LAGC）的重要治疗策略，但患者临床反应存在显著异质性，且缺乏可靠的疗效预测生物标志物。深入解析肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）是阐明治疗应答机制、实现精准免疫治疗的关键。 方法：研究人员对接受替雷利珠单抗联合SOX方案（奥沙利铂+替加氟）治疗的19例LAGC患者治疗前内镜活检样本，采用NanoString GeoMx平台进行数字空间分析（digital spatial profiling, DSP）。通过多重荧光染色（PanCK、CD45、CD68）实现肿瘤中心区（tumor center regions, TC）、免疫细胞浸润区（immune cell infiltration area, MA）及其他间质区（other stromal regions, OTHER）的区室特异性转录组分析。研究结果与TCGA-STAD数据整合，并在独立队列（n=20）中通过免疫组织化学（immunohistochemistry, IHC）检测NOTUM、SERPINA3、CD8及FOXP3进行验证。 结果：空间分析显示TC、MA及OTHER三个区室具有独特的转录特征。肿瘤区高表达NOTUM、NKD1及SERPINA3，同时TME内CD8+T细胞浸润增加且调节性T细胞（regulatory T cell, Treg）/CD3+T细胞比值降低，均与主要病理缓解（major pathological response, MPR）显著相关。这些空间生物标志物在独立队列中得到正交验证。在TCGA-STAD队列中，由NOTUM、APOA2、SERPINA3、NKD1、GGH、BPIFB1构成的六基因特征与更长生存期及有利的免疫浸润相关，且该免疫调控模式在多种癌症类型中具有保守性。 结论：该研究鉴定出NOTUM、SERPINA3及CD8+T细胞密度作为LAGC患者对nICT响应的可临床转化的空间预测指标。研究结果强调了空间TME解析在发现新型生物标志物及指导个体化免疫治疗策略中的重要价值。

研究背景

胃癌是全球第五大常见恶性肿瘤，也是第四大癌症相关死亡原因。约76.5%的患者确诊时已处于局部晚期阶段（TNM分期T2–4aN0–3M0，Ⅰb–Ⅲc期）。根治性手术虽是主要治疗手段，但单纯手术或术后辅助化疗疗效欠佳。新辅助免疫化疗（nICT）可通过降期、减轻肿瘤负荷、清除微转移灶提高切除率，成为综合治疗的重要组成部分。替雷利珠单抗联合SOX方案的Ⅱ期临床试验显示病理完全缓解率达23.8%，主要病理缓解（MPR）率达61.9%，但仍有约15%患者获益有限。目前尚缺乏能准确预测nICT疗效的生物标志物，且肿瘤微环境（TME）的空间异质性未被充分解析，制约了精准治疗策略的制定。

关键技术方法

研究人员回顾性收集华中科技大学同济医学院附属协和医院2021年1月至2025年8月的41例LAGC患者治疗前活检样本，随机分为发现队列（n=19）与验证队列（n=20）。采用数字空间分析（DSP）技术对福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）样本进行区室特异性转录组检测，通过多重免疫荧光染色划分肿瘤中心区（TC）、免疫细胞浸润区（MA）及其他间质区（OTHER）。结合TCGA-STAD公共数据集进行生物信息学分析，并在独立队列中使用免疫组织化学（IHC）验证蛋白水平表达。统计分析采用非参数检验、生存分析及受试者工作特征（ROC）曲线评估。

研究结果

3.1 基于DSP的LAGC空间转录组分析

研究人员通过DSP技术在发现队列中成功获得92个有效分析区域（AOI），包括34个TC区、25个MA区及33个OTHER区。经质量控制后保留12970个高表达基因用于下游分析，实现了LAGC组织不同功能区域的精确分子分型。

3.2 通过空间转录组学表征LAGC肿瘤微环境

比较不同区域转录谱发现，MA区高表达GPNMB、CD163等免疫相关基因，富集于中性粒细胞活化、T细胞活化等通路；OTHER区高表达SPARCL1、MYH11等基质相关基因，参与细胞外基质组织与组织稳态；TC区高表达CDH1等上皮结构相关基因，富集于上皮发育与连接组装通路，揭示了LAGC TME显著的区室化转录特征。

3.3 DSP鉴定与nICT后主要病理缓解相关的生物标志物

将患者按MPR状态分组后，模拟批量测序的伪批量分析显示应答者高表达NOTUM、SERPINA3、APOA2等基因，富集于体液免疫应答、WNT通路及细胞外基质-受体相互作用。区域特异性分析进一步表明，TC区NOTUM、NKD1等基因上调与WNT抑制相关；MA区FBP1、CHI3L1等基因上调与B细胞活化及干扰素-γ应答相关；OTHER区NOTUM、SERPINA3等基因上调与金属离子稳态及先天免疫防御相关。

3.4 空间免疫特征与nICT应答相关

伪批量数据显示应答者CD8⁺T细胞、活化的NK细胞及记忆T细胞特征评分显著升高，Treg特征评分显著降低。TC区内同样呈现效应免疫细胞富集、Treg减少的空间分布模式。免疫浸润分析证实，应答者TC区细胞毒性与记忆T细胞特征增强，OTHER区免疫组成更多样，凸显了空间免疫构型对治疗反应的预测价值。

3.5 候选生物标志物的预后价值及免疫浸润相关性评估

研究人员构建了包含NOTUM、APOA2、SERPINA3、NKD1、GGH、BPIFB1的六基因特征。在TCGA-STAD队列中，高表达该特征的患者总生存期（OS）与无进展生存期（PFS）更长。该特征与CD8⁺T细胞特征呈正相关，与Treg特征呈负相关。单基因分析显示NOTUM、NKD1、SERPINA3表达与CD8⁺T细胞浸润正相关，与Treg浸润负相关，且与CXCR3、CCR5表达正相关，与CCL22、CCR4表达负相关。该免疫相关模式在胰腺癌、肺癌、乳腺癌等六种癌症中保守存在。

3.6 空间预测生物标志物的独立临床验证

在独立验证队列中，IHC证实MPR患者TC区NOTUM与SERPINA3蛋白表达显著高于非MPR患者，CD3⁺与CD8⁺T细胞密度显著增加，FOXP3⁺/CD3⁺Treg比值显著降低。ROC曲线分析显示SERPINA3区分MPR的AUC达0.803，NOTUM达0.765，验证了空间转录组发现的临床转化潜力。

讨论与结论

讨论部分指出，传统批量测序忽略了TME的空间异质性，而数字空间分析技术能够精确解析肿瘤核心与边缘的分子特征差异。研究发现NOTUM作为WNT信号通路的负调控因子，可能通过抑制WNT/β-连环蛋白（β-catenin）通路增强CD8⁺T细胞浸润、减少Treg招募，从而重塑免疫微环境。SERPINA3则可能通过调控细胞外基质重塑影响免疫应答。与既往依赖外周指标或单一标志物的研究相比，本研究首次整合空间转录组与蛋白验证，明确了肿瘤区NOTUM/SERPINA3表达与间质区CD8⁺T细胞/Treg比值的联合预测价值。研究局限性包括样本量较小、缺乏多中心外部验证及功能实验证据。

结论部分总结，该研究鉴定出NOTUM、SERPINA3及CD8⁺T细胞密度为LAGC患者nICT应答的空间预测指标，将肿瘤内在的WNT通路拮抗作用与SERPINA3表达同有利免疫构型联系起来。将这些空间生物标志物转化为基于常规活检的IHC检测方法，可为nICT的患者筛选提供实用策略，凸显了空间架构在生物标志物发现中的关键作用，为胃癌及其他恶性肿瘤的精准免疫治疗开辟了新途径。该研究发表于《Frontiers in Immunology》。