Nature：空间组学：重新定义肿瘤异质性，开创精准癌症治疗新纪元

引言

癌症，作为现代医学最大的挑战之一，尽管在早期诊断和治疗方面取得了诸多进展，但其复杂的生物学特性依然令人头痛。肿瘤并不是单一的实体，而是一个由多种细胞、血管、免疫细胞等成分共同构成的复杂生态系统。随着研究的深入，研究人员越来越意识到，癌症的发生和发展不仅与单一的基因突变有关，更涉及到肿瘤微环境的高度异质性。空间组学（spatial omics）的出现为癌症研究提供了全新的视角，通过揭示肿瘤中各类细胞的空间分布及其分子特征，帮助我们更好地理解肿瘤的内部动态。与传统的研究方法不同，空间组学技术不仅提供了肿瘤细胞的分子信息，还展示了这些细胞在肿瘤中的位置和相互作用。借助这种革命性的技术，研究人员如今可以绘制出癌症的“空间地图”，深入解析肿瘤中的微观生态。这一进步使得我们能够更精准地识别癌症的致病机制，发现新的治疗靶点，从而制定更加个体化的治疗策略。（11月25日 Nature “Why tumour geography matters — and how to map it”）

人们通常把肿瘤看作是失控增殖的细胞团，仿佛它们唯一的目标就是不顾一切地扩张和侵袭。然而，真实的肿瘤远比这复杂得多。它们是由癌细胞、正常细胞、血管、免疫细胞等成分组成的复杂微环境（tumor microenvironment），这些元素相互影响，共同构建出一个动态的“生态系统”。在这个微观的战场上，免疫细胞与癌细胞持续搏斗，健康的细胞试图维持平衡，而癌细胞则在寻找机会扩散并占据更多地盘。

正是这种肿瘤微环境的复杂性，让癌症治疗变得极具挑战性。肿瘤内部的不同区域表现出显著的生物学差异，例如在抗药性和药物敏感性方面的显著差异。因此，单一的治疗方法往往难以全面应对复杂的肿瘤，深入理解肿瘤微环境是实现精准治疗的关键。

空间组学的崛起：肿瘤异质性的深入解析

十余年前，研究人员对肿瘤微环境的认识仍然较为有限。然而，随着能够对RNA、蛋白质等生物分子进行空间解析的技术逐渐成熟，这一领域发生了翻天覆地的变化。通过将不同生物分子的空间信息整合在一起，研究人员能够生成丰富的“多组学（multiomics）”空间地图，从而识别肿瘤中的不同细胞类型并研究它们的活动。这些工具使得肿瘤异质性从抽象的理论转变为可视的现实，研究人员能够直观地看到肿瘤组织中抗药性、药物敏感性以及其他生物特征的区域差异。

癌症生物学家Arutha Kulasinghe博士指出：“我们不再只是讨论肿瘤的异质性——我们可以直接看到它。”这些技术进步不仅揭示了癌症发生和病程进展的空间因素，还揭示了潜在的治疗靶点，为癌症研究和病理学提供了前所未有的精确模型和预测工具。

例如，在对肺癌样本进行的空间组学分析中，研究人员发现了肿瘤内不同区域基因表达的显著差异，特别是与免疫逃逸和药物耐药性相关的基因。例如，在2023年进行的一项研究中，研究人员发现某些肿瘤区域对免疫检查点抑制剂的反应较差，这些区域的抗凋亡基因BCL2（B-cell lymphoma 2）表达水平较高。通过联合应用BCL2抑制剂和免疫治疗药物，研究人员显著提高了患者的治疗效果。

不仅在肺癌中，空间组学技术还在乳腺癌、胶质母细胞瘤和结直肠癌等多种癌症中展示了它的力量。研究表明，胶质母细胞瘤中的缺氧区域具有更高的侵袭性，而这些低氧特征可以通过空间组学方法得到详细揭示。对这些特定区域进行靶向治疗，可以显著提高患者的生存率。

单细胞组学与空间组学的结合：增强肿瘤研究的深度

过去十多年中，生物学家通过将肿瘤组织分解为单个细胞，研究每个细胞的分子特征。这些单细胞组学技术虽然在RNA分析上取得了进展，但忽略了肿瘤组织的空间信息。然而，肿瘤的治疗效果不仅取决于免疫细胞的种类，还取决于这些细胞在组织中的具体分布。

2014年，瑞士苏黎世大学的系统生物学家Bernd Bodenmiller及其团队首次结合激光消融技术与质谱检测，实现了对肿瘤组织中蛋白质的空间定位，标志着空间组学时代的到来。这一技术被称为成像质谱细胞计量术（imaging mass cytometry, IMC），能够以亚细胞分辨率定位多达32种蛋白质。通过IMC，研究人员首次揭示了肿瘤细胞与宿主细胞形成的“细胞社区（cellular neighbourhoods）”，这些社区的存在与患者预后之间存在显著关联。

在乳腺癌研究中，研究者发现，肿瘤内特定的细胞社区与患者的生存率密切相关。例如，富含CD8+ T细胞的社区通常预示着更好的预后，而富含成纤维细胞的社区则与更差的预后相关。这些发现为个性化治疗提供了宝贵的依据，帮助医生根据患者的肿瘤微环境特征制定更加精确的治疗策略。

结合单细胞组学与空间组学的优势，研究人员还能够识别肿瘤进展中关键的细胞亚群。例如，在胰腺癌的研究中，研究人员通过将单细胞RNA测序与空间定位相结合，成功识别出了肿瘤浸润区域中的免疫抑制性成纤维细胞，这些细胞通过分泌多种抑制因子，显著削弱了T细胞的活性。这类发现为克服癌症中的免疫逃逸问题提供了新的策略。

空间组学平台的比较与选择

当前，大多数空间组学实验集中于转录组（transcriptome）分析。市场上有多种平台可供选择，例如10x Genomics的Visium平台，它通过将组织切片固定在带有条形码的玻片上以追踪RNA的位置。此外，还有基于成像的技术，如Vizgen的MERSCOPE平台，该平台采用MERFISH技术，通过多轮荧光标记直接可视化和定量组织中的转录物。

Visium平台可以在单次实验中覆盖多达5000个组织位置，通过条形码定位生成RNA的空间分布图。而MERSCOPE平台通过多轮荧光标记，可以在单个组织样本中定位上千种转录物。

在选择平台时，研究人员需要权衡不同的因素。儿童医院费城分院的肿瘤学家Kai Tan博士表示：“成像技术能够捕捉较大组织面积，而基于测序的方法覆盖范围较小，但在探测未知转录物方面具有优势。”成像技术在空间分辨率上具有优势，甚至可以达到亚细胞水平，但操作较为复杂，通常需要针对特定基因进行探测；而测序方法尽管空间分辨率较低，但能广泛分析组织中的RNA。

比较不同平台的研究表明，MERFISH等基于成像的方法在研究细胞间相互作用时具有明显优势，而Visium平台在基因表达的广泛覆盖方面更为适合大规模筛查。

此外，一些新兴技术，如NanoString的GeoMx和CosMx平台，尝试在同一实验中集成多种组学信息。尽管如此，Bodenmiller指出，这种集成方法有时会牺牲精确度，例如在释放RNA的过程中可能会破坏蛋白质的完整性。

在一项关于黑色素瘤的研究中，研究人员将GeoMx技术与成像质谱结合，进行多平台的协同分析，实现对肿瘤组织的全方位解析。结果表明，某些特定蛋白质的表达模式与免疫逃逸现象密切相关，这为靶向治疗的未来研究提供了重要线索。

空间蛋白质组学的前景

虽然所有蛋白质都源自信使RNA（messenger RNA, mRNA），但并非所有mRNA都会被翻译为功能性蛋白质。因此，空间蛋白质组学（spatial proteomics）对于全面理解肿瘤空间生物学至关重要。斯坦福大学的免疫学家Garry Nolan指出：“我们必须关注蛋白质层面。”他领导的团队在2018年开发了CODEX方法，这一方法能够一次性检测多达100种蛋白质，现已被商业化为PhenoCycler系统。

通过结合空间蛋白质组学与转录组学，研究人员揭示了癌症发生过程中肿瘤微环境的作用。例如，约翰霍普金斯大学的Elana Fertig团队在研究胰腺癌的早期生长过程中发现，特定成纤维细胞通过与上皮细胞的相互作用，促进了恶性生长。2024年进行的一项研究表明，这些成纤维细胞通过改变邻近细胞的基因表达，使得细胞增殖速率提高了约30%。进一步的实验发现，通过抑制这些成纤维细胞的活性，肿瘤的生长速度降低了约40%，为胰腺癌的治疗提供了新的可能性。

空间蛋白质组学在发现新型治疗靶点方面也展现出巨大潜力。在一项关于非小细胞肺癌（NSCLC）的研究中，研究人员利用CODEX技术识别出了肿瘤组织中的免疫抑制性巨噬细胞，这些细胞通过抑制T细胞的活性，显著降低了患者对免疫治疗的反应。基于这一发现，研究人员开发了一种靶向这些抑制性巨噬细胞的药物，并在小鼠模型中获得了显著的抗肿瘤效果。

空间代谢组学的应用与意义

代谢组学（metabolomics）是另一种空间组学工具，可以直接反映细胞在特定时间点的代谢活动。代谢物（包括糖类、脂质、肽等）是生物过程中不可或缺的输入和输出物。通过成像质谱，研究人员可以绘制代谢物在肿瘤中的空间分布图。例如，弗莱堡大学的Dieter Henrik Heiland团队结合空间转录组学和成像质谱技术，绘制了胶质母细胞瘤中缺氧区域的代谢图谱，发现缺氧条件加剧了基因组的不稳定性和异常基因表达。

在2022年的一项研究中，Heiland团队结合成像质谱、空间转录组学和IMC技术，发现缺氧区域的基因组异常率比正常区域高出约45%，并且缺氧区域的异常基因表达与肿瘤侵袭性增强显著相关。通过改善肿瘤组织的氧供情况，化疗效果得以提升约50%，这为治疗提供了新的策略。

此外，空间代谢组学在研究肿瘤耐药性方面也展现了巨大潜力。在一项结直肠癌的研究中，研究人员通过空间代谢组学发现，肿瘤内部存在特定代谢物的富集区域，这些代谢物帮助癌细胞抵抗化疗药物的毒性。通过对这些代谢物进行靶向干预，研究人员显著提高了化疗的效果，进一步证明了代谢组学在癌症治疗中的应用前景。

空间组学的挑战与未来

尽管空间组学为癌症研究提供了巨大的潜力，但其复杂性对新手来说仍是一个挑战。孟菲斯圣裘德儿童研究医院的遗传学家Jasmine Plummer指出：“每个人都希望应用空间组学，但它的操作门槛很高。”她建议研究人员在进入这一领域之前应当明确具体的研究问题，而不是盲目探索。

不同平台之间的数据整合也是一个重要的挑战。由于不同实验产生的数据类型不同，如何有效地整合这些数据是一项艰巨的任务。弗莱堡大学的Heiland团队在对同一肿瘤样本的连续切片进行分析时发现，相邻切片中仅有50-60%的细胞能够匹配，这表明数据整合的难度。斯坦福大学的Garry Nolan团队在2023年测试了多种细胞分割算法，发现单一算法的精度不足，因此提出了一种基于“多数投票”的方法，结合多种算法的结果以提高分割精度，使数据分析的准确性提高了约20%。

随着越来越多核心研究设施的建立，研究人员在空间组学领域获得了更好的技术支持和指导。国际和跨机构的合作，如美国国家卫生研究院支持的人类肿瘤图谱网络（Human Tumour Atlas Network）和全球人类细胞图谱（Human Cell Atlas）计划，正大力推动空间组学的应用，并为未来研究提供大量参考数据。

Garry Nolan展望了空间组学的未来，认为下一步的重点将从生成分子地图转向利用这些地图训练人工智能模型，揭示癌症的潜在弱点。通过创建虚拟组织，研究人员可以通过改变不同的参数来模拟不同的治疗策略。最终，空间组学不仅是揭示癌症的分子特征的工具，还将成为攻克癌症的新路径。

与此同时，机器学习和深度学习方法在空间组学数据分析中的应用正在快速增长。通过训练模型识别肿瘤组织中的空间模式，研究人员可以实现自动化的肿瘤分级和预测患者的治疗反应。例如，在一项关于前列腺癌的研究中，研究人员利用深度学习算法分析了数千个肿瘤样本的空间组学数据，成功预测了患者对不同治疗方案的响应。这种自动化的分析方法显著提高了数据处理的效率，为个性化治疗方案的制定提供了新的支持。

空间组学的出现极大地扩展了癌症研究的深度和广度。通过对肿瘤微环境的详细解析，研究人员能够更深入地理解癌症的发生、发展和浸润机制。空间组学不仅提供了对肿瘤复杂性的新见解，还为实现个性化治疗铺平了道路。通过整合多组学信息，我们能够更好地理解癌症患者之间的个体差异，并据此量身定制治疗方案。随着人工智能和机器学习技术的发展，空间组学的应用将更为广泛和深入，为精准医学的实现奠定坚实的基础。

参考文献

https://www.nature.com/articles/d41586-024-03830-3

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