空間多組學助力精準治療領域腫瘤微環境研究
編者按：
在腫瘤研究的前沿戰場上，空間多組學技術正掀起一場革命。傳統方法只能提供細胞類型的“快照”，而空間多組學技術則為我們打開了一扇通往微觀世界的窗戶，讓我們能夠極高的精度和深度，觀察腫瘤微環境中成纖維細胞和其他關鍵細胞類型的空間分布及其復雜的相互作用。今天小編用一篇使用空間多組學技術的頭頸部鱗狀細胞癌研究文獻，向老師們介紹如何使用這項技術剖析細胞亞群的特征和調控機制，找到隱藏在復雜微環境中的關鍵靶點，從而提高治療效果，改善患者預后。
研究背景
頭頸部鱗狀細胞癌（HNSCC）的腫瘤微環境（TME）包含多種成纖維細胞亞群，影響腫瘤進展和免疫反應。HPV陽性的HNSCC通常具有富含淋巴細胞的免疫熱型微環境，提示成纖維細胞在免疫調節中的重要作用。通過單細胞和空間轉錄組技術，本研究識別出不同成纖維細胞亞群及其與免疫細胞的相互作用。此外，構建了一個泛癌成纖維細胞圖譜（PCFA），揭示了不同癌癥類型中成纖維細胞的共性和特性。
文章詳情
文章題目：Single cell and spatial analysis of immunehot and immune-cold tumours identifies fibroblast subtypes associated with distinct immunological niches and positive immunotherapy response
中文題目：免疫熱腫瘤和免疫冷腫瘤的單細胞和空間分析確定了與不同免疫學環境和陽性免疫治療反應相關的成纖維細胞亞型
發表時間：2025.01
期刊名稱：Molecular Cancer
影響因子：27.7
實驗平臺：10x單細胞轉錄組測序+10x空間轉錄組測序
DOI：10.1186/s12943-024-02191-9
研究結果
1. HPV 陽性 HNSCC 通常具有免疫熱型腫瘤微環境
研究者使用單細胞RNA測序（scRNA-Seq）、空間轉錄組分析和多重免疫熒光染色等技術，分析了未經治療的HNSCC樣本（包括HPV陽性和陰性病例）。結果顯示，HPV陽性的HNSCC樣本中存在更多的CD8+T細胞、CD4+T細胞和B細胞，證實了HPV陽性腫瘤通常具有一個富含淋巴細胞的免疫熱型微環境。盡管大多數HPV陽性的腫瘤表現出免疫熱型特征，但也有一部分HPV陽性的腫瘤具有較低的腫瘤浸潤淋巴細胞（TIL），這些患者的生存率較差。此部分的研究揭示了HPV狀態對腫瘤免疫微環境的影響。
Fig.1 HPV+ve HNSCC 通常具有免疫熱腫瘤微環境2. 成纖維細胞亞群的表型特征及其調控機制
為了理解HNSCC中成纖維細胞的異質性，研究者進行了全面的空間多組學分析。結果顯示，HNSCC中存在多種成纖維細胞亞群，如肌成纖維細胞（myCAF）、炎癥性CAF（iCAF）和FRC樣成纖維細胞。這些亞群在免疫熱型和免疫冷型腫瘤中分布不同，并具有獨特的細胞因子譜和調控機制。FRC樣成纖維細胞富集于免疫熱型腫瘤，促進淋巴細胞功能；而iCAF則在免疫冷型腫瘤中更為常見，促進髓系細胞招募。研究還揭示了NF-κB、IL-1β和TNF-α信號通路對不同成纖維細胞亞群的調控作用，強調了它們在腫瘤微環境中扮演的不同角色。
Fig.2 HNSCC的scRNA-Seq揭示了免疫調節成纖維細胞的獨特亞群3. FRC樣成纖維細胞在三級淋巴結構中的定位及調控
研究發現，FRC樣成纖維細胞定位于三級淋巴結構（TLS）內，與B細胞和CD4+T細胞共定位，支持適應性免疫反應。LTβR信號通路在FRC樣成纖維細胞的發育和維持中起關鍵作用，激活該通路可促進TLS形成并增強抗腫瘤免疫反應。阻斷LTβR信號通路會減少FRC樣成纖維細胞數量和TLS功能，削弱免疫反應。LTβR信號通路是調控FRC樣成纖維細胞的關鍵路徑，可能成為改善腫瘤免疫治療效果的新靶點。
Fig.3 FRC樣成纖維細胞與B細胞和CD4+T 細胞共定位，位于TLS內并通過LTβR信號傳導進行調節4. iCAF 與炎癥細胞的相互作用及其調控機制
研究揭示了iCAF與炎癥性單核細胞和中性粒細胞在腫瘤微環境中共定位的現象。iCAF表達高水平的炎癥細胞因子，如IL11、IL6和CXCL8，吸引并激活單核細胞和中性粒細胞，促進炎癥反應和腫瘤進展。IL-1β和TNF-α信號通路在iCAF的激活和維持中起重要作用，上調促炎基因表達。阻斷這兩個信號通路會減少iCAF的數量和活性，減弱炎癥反應。這表明，IL-1β和TNF-α信號通路是調控iCAF的重要路徑，可能成為干預炎癥性腫瘤微環境的新策略。
Fig.4 iCAF與炎性單核細胞和中性粒細胞共定位，并通過IL-1β和TNF-α信號傳導進行調節5. 泛癌成纖維細胞分析揭示保守和半保守的炎癥性成纖維細胞表型
通過構建涵蓋七種癌癥類型的泛癌成纖維細胞圖譜（PCFA），研究者發現不同癌癥類型中存在廣泛的保守和組織特異性成纖維細胞亞群。例如，myCAF是最常見的CAF亞群，在幾乎所有腫瘤類型中占優勢；而IL11+CAF主要存在于HNSCC、結直腸癌和食管鱗狀細胞癌中。此外，meCAF在胰腺癌中表現出較高頻率。此部分揭示了不同癌癥類型中成纖維細胞表型的共性和特性，為理解成纖維細胞在腫瘤微環境中的作用提供了新視角。
Fig.5 泛癌成纖維細胞分析確定了保守和半保守的炎癥成纖維細胞表型6.‘iCAF’特征基因集突顯不同的正常成纖維細胞和 CAF 群體
通過對PDAC iCAF特征基因進行富集分析，研究者區分了不同成纖維細胞群體。結果顯示，多個成纖維細胞亞群表達了iCAF標志物，但在不同癌癥類型中表現各異。IGF1+CAF在多種癌癥類型中普遍存在，且與PDAC和乳腺癌中的iCAF相似，而IL11+CAF更常見于胃腸道癌癥中，并表現出更強的炎癥特性。特征基因分析突顯了不同成纖維細胞群體之間的差異，有助于更好地理解它們在腫瘤微環境中的獨特作用。
Fig.6 “iCAF”特征基因突出了不同的正常成纖維細胞和CAF群體7. FRC 樣成纖維細胞在多種癌癥中低頻存在并與免疫治療的積極反應相關
研究發現FRC樣成纖維細胞在多種癌癥中以低頻率存在，但在頭頸部、肺癌和其他一些癌癥類型中相對豐富。FRC樣成纖維細胞與三級淋巴結構（TLS）基因特征正相關，并與接受免疫檢查點抑制劑治療的患者更好的生存率相關。通過分析多個癌癥類型的預處理樣本，研究者確認了FRC樣成纖維細胞的存在與更好的免疫治療反應有關聯。這部分研究揭示了FRC樣成纖維細胞在免疫治療中的潛在價值，為個性化醫療策略的發展提供了新方向。
Fig.7 FRC樣成纖維細胞在癌癥中出現的頻率較低，并且與免疫療法的積極反應相關主要結論
本研究利用單細胞和空間轉錄組測序技術，剖析了HNSCC細胞亞群異質性，并分為免疫熱型和免疫冷型（即人乳頭瘤病毒[HPV]陽性和陰性的腫瘤）。研究識別出了六個成纖維細胞亞群，其中兩個表現出免疫調節基因表達譜（IL-11+炎癥性[i]CAF和CCL19+成纖維網狀細胞[FRC]樣）。IL-11+iCAF在空間上與炎癥性單核細胞有關，并且在體外通過IL-1β和TNF-α對經典NF-κB信號通路的協同激活來調控。FRC-樣細胞則在免疫熱型HPV陽性腫瘤中富集，與三級淋巴結構中的CD4+T細胞和B細胞關聯，并通過非經典的NF-κB信號通路由淋巴毒素調控。這些結果闡明并擴展了當前關于免疫調節性CAFs的認識，強調了它們與重要免疫微環境之間的聯系。研究突顯了兩種特定類型的CAFs——一種是促炎性的，另一種與免疫支持結構相關，它們在不同類型的癌癥中扮演著不同的角色，并且可能影響患者對免疫治療的反應。
> 參考文獻：
Jenkins, Benjamin H et al. “Single cell and spatial analysis of immune-hot and immune-cold tumours identifies fibroblast subtypes associated with distinct immunological niches and positive immunotherapy response.” Molecular cancer vol. 24,1 3. 6 Jan. 2025.
