1. 引言
肿瘤微环境(Tumor Microenvironment, TME)是一个复杂且高度动态的生态系统,由肿瘤细胞、免疫细胞、基质细胞以及细胞外基质、血管和神经等多种组分构成,在肿瘤的发生、发展、侵袭、转移以及对治疗的响应中扮演着关键角色 12345。传统上,对TME的研究主要依赖于批量(bulk)组学技术,如批量RNA测序、基因组测序等。这些技术虽然提供了对组织样本整体分子特征的概览,但其固有的局限性在于无法区分不同细胞类型,平均化了异质性细胞群体的信号,从而掩盖了TME内部细胞之间以及细胞与环境之间复杂的相互作用和特异性分子机制 678。具体来说,传统bulk组学技术在以下几个方面存在明显不足:首先,分辨率不足,无法解析肿瘤内部及TME中细胞的精细亚群和功能状态,导致对细胞异质性的理解受限;其次,缺乏空间信息,无法揭示不同细胞类型在组织中的精确位置和空间分布模式,而空间位置对细胞功能和相互作用至关重要 26。
近年来,随着单细胞多组学技术的飞速发展,这些局限性正被逐步克服。单细胞多组学技术能够在单细胞水平上同时获取基因组、转录组、表观基因组、蛋白质组等多种分子信息,极大地提升了我们解析细胞异质性、识别稀有细胞类型和理解细胞间通讯网络的能力 8910。特别地,单细胞RNA测序(scRNA-seq)能够高分辨率地刻画TME中恶性细胞、免疫细胞和基质细胞等不同组分的亚群分类、功能状态及谱系演化规律 1011。与此同时,空间转录组(spatial transcriptomics)及其他空间多组学技术的兴起,使得研究人员能够在保持组织形态完整性的前提下,原位检测基因表达或蛋白质分布,从而揭示细胞在TME中的空间分布特征和邻域组成模式,进一步阐明空间位置与细胞功能及肿瘤进展之间的关联机制 26。
本综述旨在系统性地总结单细胞与空间多组学技术在肿瘤微环境研究中的最新进展和未来前景。我们将首先深入探讨scRNA-seq和空间转录组如何分别从细胞异质性和空间结构层面解析TME的核心特征。随后,我们将聚焦单细胞多组学如何促进对TME中免疫细胞亚群内部及跨细胞类型的调控网络和细胞互作异常介导的肿瘤免疫逃逸与治疗抵抗机制的理解。此外,本综述还将梳理肿瘤微环境研究中单细胞多组学数据整合方法的发展,包括单细胞转录组与空间转录组的跨模态整合,以及跨队列、泛癌单细胞多组学数据整合分析方法。最后,我们将重点讨论单细胞多组学在肿瘤微环境研究中的临床转化进展,包括肿瘤预后与治疗响应生物标志物的发掘以及治疗新靶点的开发,并对当前面临的挑战与未来的发展方向进行展望。
2. 单细胞与空间多组学技术对肿瘤微环境核心特征的解析
2.1 单细胞转录组测序(scRNA-seq)介导的肿瘤微环境细胞异质性刻画
单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术的出现,彻底改变了我们对肿瘤微环境(TME)复杂性的认知,使其能够以单细胞分辨率剖析TME内各种细胞类型的异质性。通过对数万乃至数百万个单细胞的转录组进行分析,研究人员能够以前所未有的深度揭示TME中恶性细胞、免疫细胞和基质细胞的亚群分类、功能状态以及谱系演化规律,从而克服了传统批量测序技术无法捕捉细胞异质性的局限性。
在泛癌研究层面,scRNA-seq已广泛应用于揭示肿瘤内部细胞状态的异质性。例如,一项整合了1163个肿瘤样本、涵盖24种肿瘤类型的泛癌单细胞RNA测序数据集分析,识别出41个共识性的“元程序”(meta-programs),这些程序由数十个在许多肿瘤细胞亚群中协同上调的基因组成,涵盖了细胞周期、应激反应等通用过程以及谱系特异性模式,从而定义了转录组细胞内异质性的11个标志。该研究强调,大多数癌细胞的元程序与非恶性上皮细胞中发现的相似,表明很大一部分恶性细胞异质性程序在肿瘤发生前就已存在,反映了其细胞起源的生物学特性 12。另一项针对15种癌症类型的泛癌单细胞RNA测序分析则揭示了癌细胞状态在不同肿瘤类型中普遍存在,并且这些状态与肿瘤微环境形成了特定的相互作用,例如“干扰素反应”的癌细胞状态与TME中的T细胞和巨噬细胞相关联 13。
针对特定癌种,scRNA-seq同样取得了诸多突破性进展。在肝癌研究中,通过对124名患者和8只小鼠的189份肝癌样本进行scRNA-seq分析,研究人员对超过100万个细胞进行了解析,并将患者分为五种TME亚型,包括免疫激活型、髓系或基质细胞介导的免疫抑制型、免疫排斥型和免疫驻留型。值得注意的是,在髓系细胞富集亚型中富集的肿瘤相关中性粒细胞(TAN)与不良预后相关,并发现CCL4+TANs能够招募巨噬细胞,而PD-L1+TANs则能抑制T细胞细胞毒性,为靶向TANs的免疫疗法提供了潜在方向 14。在非小细胞肺癌(NSCLC)中,scRNA-seq揭示了TME中巨噬细胞的高度异质性,并发现组织驻留巨噬细胞在肿瘤早期形成中积累于肿瘤细胞附近,通过促进上皮-间充质转化和浸润以及诱导调节性T细胞反应来促进肿瘤生长。这些发现提示组织驻留巨噬细胞是早期肺癌预防和治疗的潜在靶点 15。胶质母细胞瘤的研究也利用scRNA-seq结合批量基因组和表达分析,识别出恶性细胞存在四种主要的细胞状态,这些状态模仿了不同的神经细胞类型,并受TME影响,表现出可塑性,且其相对频率受CDK4、EGFR、PDGFRA等基因拷贝数扩增和NF1突变的影响 16。
对于肿瘤微环境中的免疫细胞,scRNA-seq也提供了前所未有的细节。一项对来自19种主要癌症类型的649名患者的B细胞进行整合分析,揭示了肿瘤浸润B细胞(TIBs)在丰度和亚型组成上的显著异质性。该研究还识别出两种在肿瘤中富集且具有预后潜力的泛癌共有亚群:应激反应记忆B细胞和肿瘤相关非典型B细胞(TAABs),其中TAABs具有高克隆扩增和增殖能力,并与肿瘤中的活化CD4 T细胞密切相互作用,可预测免疫治疗反应 17。自然杀伤(NK)细胞作为先天免疫系统的重要组成部分,其在TME中的表型和功能多样性也通过整合24种癌症类型中716名患者的NK细胞scRNA-seq数据得以描绘。研究发现NK细胞组成具有肿瘤类型特异性,并识别出一组在肿瘤中富集、抗肿瘤功能受损且与不良预后和免疫治疗抵抗相关的肿瘤相关NK细胞,同时发现特定的髓系细胞亚群(特别是LAMP3+树突状细胞)可能介导NK细胞抗肿瘤免疫的调节 18。此外,对髓系细胞的scRNA-seq分析揭示了在非小细胞肺癌患者体内存在25种肿瘤浸润髓系细胞(TIM)状态,其中大部分在不同患者中可重复出现。通过与小鼠TIMs的比较,研究发现树突状细胞和单核细胞的群体结构几乎完全一致,中性粒细胞亚群保守,而巨噬细胞则存在物种差异 19。最新的泛癌研究进一步精细刻画了肿瘤浸润树突状细胞(DC)的单细胞图谱,识别出AXL+SIGLEC6+ DCs和朗格汉斯细胞样DCs等稀有亚群,并揭示了LAMP3+ DCs的多种细胞起源,为DC基础的免疫疗法开发提供了新见解 20。
基质细胞作为TME的重要组成部分,其异质性同样被scRNA-seq详细描绘。癌相关成纤维细胞(CAFs)是肿瘤微环境中最丰富的基质细胞类型之一。例如,在肝内胆管癌(ICC)中,scRNA-seq分析揭示了ICC细胞和血管癌相关成纤维细胞(vCAFs)之间复杂的相互作用,vCAFs通过分泌IL-6促进肿瘤进展,而ICC细胞则通过外泌体miR-9-5p诱导vCAFs高表达IL-6 21。另一项肝细胞癌(HCC)的研究则通过人鼠肿瘤的单细胞RNA测序揭示了CAF的异质性,并确定了一种显著的CD36+CAF亚群,其具有高水平的脂质代谢和巨噬细胞迁移抑制因子(MIF)的表达。CD36+CAFs通过招募CD33+髓源性抑制细胞(MDSCs)促进HCC进展 22。乳腺癌的scRNA-seq研究定义并功能注释了9种CAF表型和1种周细胞类型,并在其他四种癌症类型中验证了该分类系统 23。此外,结直肠癌的整合单细胞分析不仅全面刻画了TME中的转录重塑,还识别出一种罕见的肿瘤特异性内皮细胞亚群,该亚群具有T细胞招募潜力。基于TME异质性,患者可被分层,揭示了癌细胞利用不同免疫逃逸机制的TME亚型 24。胃腺癌(GAC)的进展研究也通过单细胞谱分析揭示了TME细胞状态和组成的改变,在癌前病变中存在大量IgA浆细胞,而在晚期GAC中则由免疫抑制性髓系和基质细胞亚群主导,并识别出与侵袭性表型和不良预后相关的SDC2高表达CAFs 25。这些研究共同展示了scRNA-seq在解析肿瘤微环境细胞异质性方面的强大能力,为理解肿瘤生物学和开发新型治疗策略奠定了基础。
2.2 空间转录组技术对肿瘤微环境空间结构的原位解析
尽管单细胞RNA测序(scRNA-seq)在细胞异质性解析方面取得了革命性进展,但它在组织解离过程中丢失了细胞原有的空间位置信息,而细胞的空间组织对于其功能发挥和细胞间相互作用至关重要 2627。空间转录组(Spatial Transcriptomics, ST)技术应运而生,通过在保留组织形态学信息的同时,测量组织切片中基因的表达水平,从而弥补了scRNA-seq的这一局限性 2628。这些技术能够揭示肿瘤微环境(TME)中不同细胞亚群的空间分布特征、细胞邻域组成模式,并进一步阐明空间位置与细胞功能、肿瘤进展之间的关联机制 226。
空间转录组技术大致可分为基于测序和基于成像两大类,它们共同为研究TME的空间复杂性提供了强有力的工具 26。基于测序的方法通常将组织切片放置在带有空间条形码的阵列上,然后对捕获到的mRNA进行测序,以重建基因表达的空间图谱。基于成像的方法则通过多重荧光原位杂交(multiplex FISH)或其他成像技术,直接在组织中检测和定位特定基因或分子的表达 29。这些技术的发展,使得研究人员能够以前所未有的精度,探究TME中各种细胞成分如何相互定位、形成“细胞邻域”(cellular neighborhoods)并协同作用,驱动肿瘤发生发展 230。
通过空间转录组技术,研究人员已经取得了诸多重要发现。例如,在非小细胞肺癌(NSCLC)的研究中,结合单细胞和空间转录组分析发现,肿瘤可分为富含淋巴细胞、富含髓系细胞和混合浸润亚型 31。在该研究中,研究人员还识别出髓系细胞诱导的CD14+CD4+T细胞,这些细胞通过“噬抱作用”(trogocytosis)获得非典型表型,并在淋巴细胞富集型肿瘤中高浸润,与患者预后不良相关 31。空间转录组进一步揭示,富含CD14+CD4+T细胞的肿瘤中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)信号通路显著富集,且TNF-α能增强噬抱作用,促进CD14+CD4+T细胞的形成,从而揭示了TME中由TNF-α介导的免疫抑制机制和髓系-T细胞异常互作对NSCLC进展的贡献 31。
癌相关成纤维细胞(CAFs)是TME的关键组成部分,影响肿瘤生物学和治疗反应。一项整合了7个空间转录组和蛋白质组学平台、10种癌症类型、超过1400万个细胞的综合分析研究,发现了四种保守的空间CAF亚型,这些亚型在不同癌症类型和平台间均保持一致 30。这些CAF亚型表现出独特的空间组织模式、邻近细胞组成、相互作用网络和转录组特征。它们的丰度和组成在不同组织中有所不同,影响着TME的特性,如肿瘤浸润免疫细胞的水平、分布和状态组成、肿瘤免疫表型以及患者生存期,加深了对CAF空间异质性的理解 30。
空间转录组还被用于深入剖析肿瘤免疫微环境中的特定结构。例如,三级淋巴结构(Tertiary Lymphoid Structures, TLSs)作为异位淋巴聚集体,通常与免疫治疗响应增强和更好的临床结果相关 32。通过近单细胞分辨率的空间转录组图谱,研究人员全面分析了肝细胞癌(HCC)中不同成熟阶段的TLSs及其微环境 32。研究将未成熟TLSs分为“一致型”和“偏离型”两组,发现一致型TLSs与成熟TLSs类似,具有免疫治疗响应的生态位功能,而偏离型TLSs则不具备 32。更重要的是,研究发现恶性细胞通过色氨酸(tryptophan)代谢塑造的富含色氨酸的代谢微环境导致了TLSs成熟的偏离。抑制色氨酸代谢能促进肿瘤内TLSs的成熟,并增强肿瘤控制,与抗PD-1治疗协同增效 32。
此外,空间多组学技术也为肿瘤转移机制研究提供了新的视角。在骨肉瘤淋巴结转移的研究中,通过整合单细胞和空间转录组数据,揭示了骨肉瘤细胞与髓系细胞、CAF和NK/T细胞等多种细胞成分相互作用,重塑淋巴结微环境的机制 33。另一项针对宫颈癌的研究,结合单细胞RNA测序和空间转录组,全面刻画了疾病进展过程中TME的细胞和分子图景 34。研究特别强调了SPP1+巨噬细胞在宫颈癌中的显著富集及其通过SPP1-CD44信号轴与免疫细胞的广泛互作,进而导致免疫抑制微环境形成,并促进肿瘤细胞存活,且SPP1高表达与晚期肿瘤和不良预后相关 34。
这些研究充分展示了空间转录组和空间多组学技术在揭示TME空间异质性、细胞邻域构成以及空间结构与肿瘤进展和治疗响应之间关联方面的独特优势。通过整合空间信息,我们能够更全面地理解肿瘤的复杂生物学,为开发更精准的诊断和治疗策略提供坚实基础。
3. 单细胞多组学介导的肿瘤微环境细胞互作机制研究进展
3.1 免疫细胞亚群内部及跨细胞类型的调控网络解析
肿瘤微环境(TME)是一个高度复杂的生态系统,其中免疫细胞亚群之间、免疫细胞与其他非免疫细胞(如基质细胞和恶性细胞)之间的动态互作网络,是决定肿瘤进展和治疗响应的关键。单细胞多组学技术,特别是单细胞RNA测序(scRNA-seq),通过解析细胞特异性基因表达谱,结合配体-受体(ligand-receptor)推断算法,极大地加深了我们对这些精细调控网络的理解,揭示了核心免疫细胞的功能调控机制。
自然杀伤(NK)细胞是先天免疫系统的重要组成部分,在抗肿瘤免疫中发挥关键作用。然而,NK细胞在TME中的功能常常受到抑制。泛癌单细胞分析揭示,在24种癌症类型的716名患者中,肿瘤浸润NK细胞(TINKs)表现出显著异质性。研究发现,一部分肿瘤相关NK细胞(TANKs)在肿瘤中富集,其抗肿瘤功能受损,并与不良预后及免疫治疗抵抗相关。值得注意的是,特定的髓系细胞亚群,特别是LAMP3+树突状细胞,似乎在调节NK细胞的抗肿瘤免疫中起作用 18。LAMP3+树突状细胞因其在淋巴结中的迁移能力和调节多种淋巴细胞的潜力而被广泛关注 35。在肿瘤中,NKG2D配体的表达对NK细胞的激活至关重要。例如,在胶质母细胞瘤(GBM)中,肿瘤细胞上NKG2C/KLRC2的表达与髓源性抑制细胞数量的减少和肿瘤驻留淋巴细胞水平的升高相关,并能增强PD-1单克隆抗体治疗的抗肿瘤效果 36。此外,胃癌研究也发现,包括恶性肿瘤细胞、内皮细胞、MAIT细胞、T细胞样B细胞、浆细胞样树突状细胞、巨噬细胞、单核细胞和中性粒细胞在内的多种细胞,可能通过HLA-E-KLRC1/KLRC2相互作用调控细胞毒性T细胞和/或NK细胞的功能,为胃癌的免疫治疗提供了新的靶点 37。通过体外实验,研究也证实了高剂量放疗可以通过上调肝细胞癌(HCC)细胞上NK细胞激活配体(如NKG2D配体)的表达,从而增强CAR-NK细胞的抗肿瘤效应 38。这些发现共同指向TME中复杂的多细胞互作网络如何影响NK细胞的活性和功能。
树突状细胞(DCs)是启动和调节T细胞免疫应答的关键抗原呈递细胞。单细胞分析揭示了DC亚群的广泛异质性,并识别出多种具有独特功能和空间定位的DC亚群。例如,AXL+SIGLEC6+ DCs和朗格汉斯细胞样DCs等稀有亚群的鉴定,进一步丰富了我们对DC家族的理解。泛癌分析还深入探讨了LAMP3+ DCs的多种细胞起源,这些DCs因其在肿瘤引流淋巴结中激活T细胞的能力而备受关注。理解这些DC亚群的起源、功能和与其他细胞的互作,对于开发基于DC的免疫疗法至关重要。
肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)是TME中最丰富的免疫细胞之一,通常表现出促肿瘤表型。单细胞分析揭示了TAMs的显著异质性和可塑性。在乳腺癌中,TAMs被精确分类为7个亚型,展示了抗肿瘤或促肿瘤的不同角色。一项研究首次鉴定了一种在乳腺癌中具有增殖和扩张能力的新型TAM亚型——TUBA1B TAMs,它在TAM多样性和肿瘤进展中发挥关键作用,并且是TAMs重塑和功能改变的起始点 39。另一项针对TNBC的研究发现,TAMs中CPVL和MSR1基因是重要的预后生物标志物,CPVL高表达与有利预后相关,可能通过抑制SPP1-CD44信号和促进CXCL9-CXCR3、C3-C3AR1信号来影响TAM与其他免疫细胞(如单核细胞、中性粒细胞和T细胞)的互作。MSR1则与不良预后相关,并与M2样TAMs极化相关联,提示这两种基因可能通过调节巨噬细胞极化参与对肿瘤微环境的塑造 40。在其他肿瘤类型中,TAMs也通过与其他细胞的互作促进肿瘤进展。例如,在前列腺癌中,FAP+成纤维细胞与SPP1+巨噬细胞之间存在显著的通讯,特别是通过CSF1/CSF1R和CXCL/ACKR1信号通路,共同促进免疫抑制性TME的形成 41。此外,肿瘤细胞与巨噬细胞之间的动态单细胞代谢组学研究也揭示了细胞间相互作用的复杂机制,并基于代谢特征识别出多种极化亚型的肿瘤相关巨噬细胞 42。这些研究强调了TAMs在TME中的关键调控作用及其作为潜在治疗靶点的巨大潜力。
除了上述免疫细胞,其他TME细胞类型也参与复杂的细胞互作网络。肿瘤浸润B细胞(TIBs)的泛癌单细胞图谱揭示了其在TME中的异质性和功能多样性。研究发现TIB亚群与检查点抑制剂治疗响应之间存在关联,并识别出特定B细胞亚群独特的配体-受体对,这些对在空间上得到了验证,表明B细胞和T细胞之间存在复杂的串扰 43。癌相关成纤维细胞(CAFs)作为TME中的主要基质细胞,也与免疫细胞形成重要的互作。一项泛癌研究通过整合分析发现了四种保守的空间CAF亚型,它们表现出独特的空间组织模式、邻近细胞组成和相互作用网络,并影响着TME特性,如肿瘤浸润免疫细胞的分布和肿瘤免疫表型 30。在肝内胆管癌中,血管癌相关成纤维细胞(vCAFs)通过分泌IL-6,诱导ICC细胞表观遗传学改变,特别是上调EZH2,从而增强恶性程度;同时,ICC细胞来源的外泌体miR-9-5p反过来诱导vCAFs高表达IL-6,形成一个促进肿瘤进展的恶性循环 21。
总而言之,单细胞多组学技术通过高分辨率的细胞分型和对细胞互作的深度解析,极大地拓展了我们对肿瘤微环境中免疫细胞亚群内部及跨细胞类型调控网络的理解,为开发更有效、更精准的肿瘤免疫治疗策略提供了坚实的基础。
3.2 细胞互作异常介导的肿瘤免疫逃逸与治疗抵抗机制
肿瘤微环境(TME)中细胞互作网络的失调是肿瘤免疫逃逸和治疗抵抗的关键驱动因素。单细胞多组学技术能够以前所未有的分辨率揭示这些异常互作的分子基础,为克服治疗抵抗提供了新的靶点和策略。
3.2.1 免疫抑制细胞的富集与功能失调
多种免疫抑制细胞在TME中的异常富集和功能增强是肿瘤免疫逃逸的核心机制。髓源性抑制细胞(MDSCs)是其中一类关键的免疫抑制细胞。胶质母细胞瘤(GBM)因其高度免疫抑制的微环境而难以治疗,MDSCs在其中扮演了重要角色,即使在总CD45+细胞中MDSCs仅占4%-8%,它们也通过复杂的机制促进免疫逃逸、肿瘤进展、血管生成、侵袭和转移 44。在非酒精性脂肪性肝炎相关肝细胞癌(NASH-HCC)中,N6-甲基腺苷阅读蛋白YTHDF1过表达,通过促进EZH2的翻译进而增加IL-6的分泌,IL-6则招募并激活MDSCs,导致CD8 T细胞功能障碍,从而介导免疫抑制 45。靶向YTHDF1可以增强抗PD-1治疗的抗肿瘤免疫应答,提示MDSCs与肿瘤细胞之间的互作是潜在的治疗靶点。此外,在肝细胞癌中,CXCL12肿瘤相关内皮细胞(CXCL12 TECs)通过分泌CXCL12抑制幼稚CD8 T细胞分化为细胞毒性T细胞,并招募MDSCs,从而促进免疫抑制 46。靶向CXCL12 TECs有望增强免疫治疗效果 46。
调节性T细胞(Tregs)也是重要的免疫抑制细胞亚群。在结直肠癌(CRC)中,一项研究发现,抗PD-1治疗抵抗的患者中,耗竭性T细胞(Tex)、GZMK+ T细胞、应激反应T(TSTR)细胞、Treg细胞和γδ T细胞都与治疗抵抗相关 47。食管鳞状细胞癌(ESCC)中,对免疫检查点抑制剂(ICI)抵抗的患者表现出祖细胞CD8 Tex和超活化Treg(hyper-Treg)之间的串扰。这种hyper-Treg通过CLEC2C-KLRB1轴调节CD8 T细胞的活化,形成以hyper-Treg为主导的抑制性细胞互作网络,导致TME的整体免疫抑制状态 48。
肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)同样是TME中高度异质性的髓系细胞,通常具有促肿瘤和免疫抑制功能。在结直肠癌肝转移(CRLM)中,SPHK1在TAMs中高表达,导致SPHK1 TAMs通过IL-1β信号通路,诱导CD8 T细胞耗竭并建立免疫抑制微环境,从而导致抗PD-1治疗效果不佳 49。
3.2.2 T细胞功能耗竭与免疫检查点阻断抵抗
T细胞耗竭是肿瘤免疫逃逸的重要特征,表现为T细胞效应功能受损、增殖能力下降以及持续高表达免疫抑制受体(如PD-1、TIM-3)。单细胞多组学研究深入揭示了T细胞耗竭的分子机制和调控网络。在透明细胞肾癌(ccRCC)中,TRIM28被确定为免疫逃逸的关键调节因子。TRIM28通过稳定PARP1并促进其SUMO化,从而通过NAD-SIRT1-p65信号通路增强PD-L1的表达;同时,TRIM28消耗TME中的NAD,限制CD8 T细胞的NAD供应,损害其呼吸和效应功能,导致CD8 T细胞功能障碍 50。这揭示了肿瘤内在代谢重编程与CD8 T细胞功能失调相结合的免疫抑制机制。
癌相关成纤维细胞(CAFs)在T细胞功能耗竭中也扮演了关键角色。在人类结肠腺癌和三阴性乳腺癌组织中,AEBP1的表达与T细胞功能障碍呈正相关,并预示着不良的患者预后。单细胞RNA测序进一步确定CAFs是AEBP1的主要来源。CAF特异性AEBP1缺失可增强小鼠体内的T细胞细胞毒性并抑制肿瘤生长。其机制在于自泌的AEBP1与CAF上的CKAP4结合,激活AKT/PD-L1信号通路,从而驱动T细胞功能障碍 51。
PD-L1的异常上调是肿瘤免疫逃逸的常见机制。泛素特异性加工酶2(USP2)被鉴定为PD-L1稳定性的新型调节剂。USP2通过直接与PD-L1相互作用并去泛素化其K48连接的多聚泛素化,从而增加PD-L1的丰度。USP2的缺失导致PD-L1的内质网相关降解,减弱PD-L1/PD-1相互作用,并使癌细胞对T细胞介导的杀伤敏感。USP2缺失还能增强小鼠的抗肿瘤免疫力,增加CD8 T细胞浸润并减少MDSCs和Tregs的免疫抑制性浸润 52。
3.2.3 宿主因素与治疗抵抗
除了肿瘤细胞和TME细胞间的直接互作,宿主本身的生理状态,如衰老,也会影响TME并导致治疗抵抗。衰老会导致T细胞免疫重塑,与癌症等年龄相关疾病的不良临床结果相关 53。在衰老过程中,肿瘤微环境中CD8 T细胞的初始激活受限,其影响甚至超过了细胞内在缺陷,从而限制了肿瘤控制能力 54。年轻小鼠的T细胞转移到老年小鼠体内也无法恢复肿瘤控制,因为老年TME会迅速诱导T细胞功能障碍。衰老TME中的细胞外信号驱动肿瘤浸润性年龄相关功能障碍(Tage)细胞状态,该状态在功能、转录和表观遗传学上都与典型的T细胞耗竭不同 54。靶向髓系细胞可以重振常规1型树突状细胞,改善肿瘤控制并恢复衰老个体中的CD8 T细胞免疫,提示衰老TME的重塑是潜在的干预靶点 54。
3.2.4 放化疗抵抗机制
细胞互作异常不仅影响免疫治疗,也影响传统放化疗的效果。癌相关成纤维细胞(CAFs)和中性粒细胞在化疗抵抗中发挥重要作用。在结直肠癌中,炎性CAFs(iCAFs)与新辅助化放疗反应不佳相关。研究发现,辐射后白介素-1α(IL-1α)不仅使CAFs向炎性表型极化,还触发氧化性DNA损伤,从而使iCAFs易于发生p53介导的治疗诱导性衰老,进而导致化放疗抵抗和疾病进展 55。抑制IL-1、预防iCAFs衰老或进行衰老细胞清除治疗,可使小鼠对辐射敏感,并且直肠癌患者血清中较低的IL-1受体拮抗剂水平与不良预后相关 55。
化疗还可诱导中性粒细胞募集和中性粒细胞胞外陷阱(NET)的形成,从而降低乳腺癌肺转移小鼠模型中的治疗反应。化疗处理的癌细胞分泌IL-1β,进而触发NETs的形成。整合素-αvβ1和基质金属蛋白酶9这两种NET相关蛋白是诱导化疗抵抗所必需的,它们通过捕获并激活潜在的TGF-β,导致癌细胞发生上皮-间充质转化,并与化疗抵抗相关 56。靶向IL-1β-NET-TGF-β轴有望减少或预防转移性化疗抵抗 56。
此外,肿瘤细胞本身通过细胞间通讯诱导的耐药性也是化疗抵抗的重要机制。乳腺癌耐药细胞分泌的细胞外囊泡(EVs)可上调敏感细胞中多种转运蛋白的表达,从而增加敏感细胞对化疗药物的存活率。这些EVs还可能下调免疫系统相关因子以逃避免疫检测,并通过阻止细胞凋亡来增加敏感乳腺癌细胞的存活。暴露于耐药EVs的人巨噬细胞会触发促炎细胞因子分泌,表明EVs在介导耐药性和调节TME炎症反应中的作用 57。
综上所述,单细胞多组学技术为我们揭示了TME中复杂的细胞互作异常如何驱动肿瘤免疫逃逸和治疗抵抗提供了深度洞察。这些研究不仅阐明了MDSCs、Tregs、TAMs、CAFs和特定T细胞亚群的功能失调,还揭示了宿主因素(如衰老)以及肿瘤细胞与TME其他组分之间在放化疗抵抗中的关键作用。这些发现为开发靶向特定细胞互作通路、重塑免疫抑制TME并克服治疗抵抗的新策略奠定了坚实基础。
4. 肿瘤微环境研究中单细胞多组学数据整合方法的发展
单细胞多组学技术,特别是单细胞RNA测序(scRNA-seq)和空间转录组(Spatial Transcriptomics, ST)技术,在解析肿瘤微环境(TME)的细胞异质性和空间结构方面取得了巨大成功。然而,scRNA-seq在细胞解离过程中丢失了空间信息,而目前的空间转录组技术往往在单细胞分辨率上存在局限性,或者无法捕捉全转录组信息 5859。为了充分利用这两种技术的优势,并克服各自的局限性,开发有效的跨模态数据整合方法变得至关重要。这些整合方法旨在将scRNA-seq的高分辨率细胞类型信息映射到空间转录组数据上,从而在保持空间上下文的同时实现对组织中细胞类型的精细定位和功能解析。
4.1 单细胞转录组与空间转录组的跨模态整合方法
将单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据与空间转录组(ST)数据进行有效整合是当前肿瘤微环境研究领域的热点和挑战。这种整合的目标是将scRNA-seq在单细胞水平上识别出的精细细胞亚群和分子特征,准确地映射到具有空间位置信息的组织切片上,从而在保留空间背景的同时,实现接近单细胞分辨率的空间基因表达分析和细胞功能解析。目前,主流的整合方法主要围绕细胞类型反卷积(deconvolution)、数据对齐(alignment)和深度学习等技术展开,每种方法都有其适用场景和技术优劣势。
4.1.1 细胞类型反卷积(Deconvolution)方法
细胞类型反卷积是目前将scRNA-seq数据整合到空间转录组数据中的核心策略之一。由于许多空间转录组技术(如Visium)每个空间捕获点(spot)可能包含多个细胞 58,其测量的基因表达是这些细胞的混合信号。反卷积方法通过利用scRNA-seq数据作为参考,估计每个空间捕获点内不同细胞类型的比例或数量。
代表性算法及原理:
- 例如,SPOTlight、CellDART、Stereoscope等算法通过不同的统计模型或机器学习方法,学习scRNA-seq数据中各细胞类型的基因表达特征,然后将这些特征应用于空间转录组数据,推断每个spot中的细胞组成。
- Redeconve是最新发展的一种算法,它能够以单细胞分辨率反卷积空间转录组数据,实现对数千种细微细胞状态的解释。该算法在准确性、分辨率、鲁棒性和速度方面表现出优越性。例如,Redeconve被应用于人类胰腺癌数据集,揭示了癌克隆特异性T细胞浸润,并在淋巴结样本中识别出IgA+和IgG+区域之间差异的细胞毒性T细胞,为肿瘤免疫学和抗体类别转换的调控机制提供了新见解 60。
- scResolve则专注于从多细胞分辨率的空间转录组数据中恢复单细胞表达谱。该方法能够准确地恢复单个细胞在其位置的表达谱,这是细胞类型反卷积无法实现的。scResolve已被应用于人类乳腺癌和肺病数据,使得在不同组织背景下进行细胞类型特异性差异基因表达分析和稀有细胞群体鉴定成为可能,从而促进了更灵活和精确的空间分析 61。
优势: 这类方法能够揭示空间位置上的细胞组成异质性,并估计各细胞类型在空间上的丰度分布,有助于理解特定细胞类型在TME中的聚集或排斥模式。
局限性: 多数反卷积方法只能估计细胞类型比例,无法直接获得每个空间捕获点内单个细胞的精确表达谱,也难以处理参考scRNA-seq数据中未包含的稀有细胞类型。此外,不同细胞类型的混合可能会导致模型准确性下降。
4.1.2 数据对齐与映射(Alignment and Mapping)方法
数据对齐方法旨在将scRNA-seq细胞直接或间接地映射到空间转录组的物理位置上,从而为每个空间位置的细胞提供单细胞分辨率的转录组信息。
代表性算法及原理:
- ST-seq/scRNA-seq整合:一些方法如Seurat V4的CCA(Canonical Correlation Analysis)或Harmony等,通过学习scRNA-seq和空间转录组数据之间共享的潜在结构,将两种模态的数据对齐,使得scRNA-seq中的细胞能够被“投影”到空间转录组的位置上。
- optimal transport (OT):一些算法如SCOT (Single-Cell Alignment Using Optimal Transport) 利用最优传输理论来整合单细胞多组学数据。SCOT是一个无监督算法,通过构建k近邻图来保留局部几何结构,并找到一个概率耦合矩阵,使域内距离差异最小化,最终通过重心的投影将一个单细胞数据集映射到另一个数据集上。这种方法能够有效地对齐不同模态的单细胞数据,即使在缺乏正交对齐信息的情况下也能进行参数调整 62。
- 参考图谱构建:构建细胞类型参考图谱,并利用相关模型将空间数据中的表达模式与参考图谱进行匹配,从而预测空间位置上的细胞类型 63。
优势: 能够提供更精细的空间细胞类型定位,有时甚至能推断出单细胞水平的基因表达空间分布。
局限性: 对于空间分辨率较低的ST技术,这种映射可能仍然是近似的。同时,数据的批次效应、技术平台差异以及不同样本间的生物学变异都可能影响对齐的准确性。
4.1.3 深度学习(Deep Learning)方法
随着人工智能技术的发展,深度学习模型在整合多模态单细胞数据方面展现出强大潜力。这些方法能够学习复杂的非线性关系,处理大规模和高维度数据,并在一定程度上克服数据稀疏性问题 64。
- 代表性算法及原理: 深度学习模型,如变分自编码器(VAE)或生成对抗网络(GAN),可以用于学习scRNA-seq和空间转录组数据的联合嵌入空间。在这个共享空间中,来自不同模态的数据点可以被有效地比较和整合。一些模型甚至可以直接利用组织图像信息,结合基因表达数据进行空间细胞类型推断和基因表达预测 64。
- 优势: 具有强大的特征学习能力,能够处理噪声和复杂模式,可能在空间分辨率提升和细胞状态预测方面优于传统方法。
- 局限性: 模型训练通常需要大量数据,且解释性相对较差,有时难以理解模型做出预测的具体依据。
4.1.4 整合分析在提升空间数据分辨率、挖掘细胞空间功能特征中的作用
单细胞转录组与空间转录组的整合分析具有重要的生物学意义和应用价值:
- 提升空间分辨率: 通过将高分辨率的scRNA-seq细胞类型信息映射到空间转转录组数据上,可以有效克服现有空间转录组技术在单细胞分辨率上的不足,有助于在组织切片上实现准单细胞甚至单细胞水平的细胞类型识别和定位,例如scResolve可恢复单细胞表达谱 61。这使得研究人员能够更准确地识别肿瘤微环境中的稀有细胞亚群,并分析其在特定空间区域的分布。
- 揭示细胞空间邻域关系: 整合数据能够更精确地定义TME中的“细胞邻域”,即在空间上相互靠近并可能进行功能互作的细胞群体 65。例如,通过识别肿瘤细胞与免疫细胞、基质细胞在空间上的共定位模式,可以推断潜在的细胞间通讯轴,如配体-受体互作关系,从而揭示肿瘤进展、免疫逃逸和治疗抵抗的机制 6667。
- 挖掘空间功能异质性: 结合空间信息,可以更深入地理解同一细胞类型在不同空间位置上的功能差异。例如,某种免疫细胞在肿瘤核心和边缘区域可能表现出不同的激活状态或免疫抑制功能。整合分析有助于识别这些空间特异性的功能特征,例如,在人类肾脏疾病的研究中,多模态方法定义了28种在肾损伤中发生变化的细胞状态,并利用空间转录组在损伤邻域内定位了这些状态,揭示了与肾功能下降相关的适应不良状态 65。
- 辅助生物标志物发现与靶点识别: 通过高分辨率的空间功能分析,可以识别与特定疾病状态(如肿瘤转移、治疗响应)密切相关的空间特异性细胞亚群或基因表达模式,从而为发现新型诊断生物标志物和开发精准治疗靶点提供线索 5966。例如,在肝细胞癌(HCC)的研究中,通过整合scRNA-seq和ST数据,发现了S100A6促转移亚型肿瘤细胞,并揭示了其与成纤维细胞通过SPP1-CD44和CCN2/TGF-β-TGFBR1相互作用的反馈循环,抑制该循环可抑制转移 67。
- 动态过程的时空重构: 虽然现有技术多为静态快照,但通过整合不同时间点的单细胞和空间数据,有望重构肿瘤发生发展或治疗响应过程中的细胞动态变化及其空间演变轨迹 68。例如,在结直肠癌的进展研究中,通过整合scRNA-seq和Visium HD数据,识别了在正常组织向腺瘤和癌变转变过程中,浆细胞、中性粒细胞和成纤维细胞中显著的hallmark通路变化,并发现了NOTUM+上皮细胞和IGHG1/3+浆细胞集中于正常组织与腺瘤边界,提示它们可能参与形态学转变 69。
综上所述,单细胞转录组与空间转录组的跨模态整合方法是未来TME研究的关键方向。通过不断优化整合算法,并结合多组学信息,我们将能够获得对肿瘤微环境更为全面和精细的理解,加速肿瘤生物学研究向临床转化的进程。
4.2 跨队列、泛癌单细胞多组学数据整合分析方法
单细胞测序技术的快速发展导致了海量单细胞数据的积累,这些数据通常来源于不同的研究机构、技术平台、实验批次甚至不同物种。对这些异质性数据进行有效的整合分析,对于识别保守的细胞亚群、发现通用的调控机制、以及开展泛癌研究具有重要意义。然而,数据整合面临的主要挑战是批次效应(batch effect),即由非生物学因素(如实验条件、试剂差异、操作人员等)引入的系统性变异,这些变异可能掩盖真实的生物学信号,导致错误的结论 70。因此,开发稳健的批次校正和数据整合方法是泛癌单细胞多组学研究成功的关键。
4.2.1 批次校正方法
批次效应是单细胞数据整合中最突出的问题。为了去除批次效应,研究人员开发了多种计算方法,大致可分为以下几类:
线性模型/降维方法:
- ComBat: 最初用于批量RNA-seq数据,后被应用于单细胞数据。ComBat通过拟合线性模型,估计并去除批次特定的加性(additive)和乘性(multiplicative)效应。
- LIGER (Linked Inference of Genomic Experimental Relationships): LIGER使用集成因子分析(integrative non-negative matrix factorization, iNMF)来识别共享和批次特异性的表达模式,通过迭代优化过程实现数据整合,并能发现跨数据集共享的细胞类型 70。
- CCA (Canonical Correlation Analysis) / Seurat 3: Seurat V3及后续版本引入的整合策略,通过识别不同数据集中共享的“锚点”(anchors),然后使用这些锚点进行数据校正和整合。CCA可以识别不同数据集中共享的变异源,帮助对齐细胞群,但可能对大的批次效应敏感。Seurat 3的整合方法在处理不同条件、技术和物种的数据集时表现出色 7071。
图论/最近邻方法:
- Harmony: Harmony是一种迭代的、基于软聚类的方法,它通过调整细胞嵌入(embeddings)来最大化不同批次中相似细胞之间的连接,同时最小化批次间的差异。Harmony在处理大规模数据集时计算效率高,并被推荐为首选的批次整合方法之一 70。
- scAlign: scAlign利用暹罗神经网络(Siamese neural networks)学习一种共同的低维表示,使得来自不同批次但生物学上相似的细胞在该共享空间中彼此靠近。
深度学习方法:
- autoencoders: 自动编码器(autoencoders)作为一种非线性降维方法,可以通过学习数据的低维表示来去除批次效应。例如,一些方法使用条件自动编码器(conditional autoencoders)将批次信息作为输入,从而生成批次校正后的嵌入空间 72。
- Conos: Conos通过构建相互最近邻图,并利用这些图在不同数据集之间建立连接,从而实现数据整合,同时保留生物学变异。
其他方法:
- FastMNN: FastMNN是一种基于互近邻(mutual nearest neighbors, MNN)对齐的方法,通过识别不同批次中相互的最近邻细胞对,并使用这些MNN对来计算批次校正向量。
对14种批次校正方法进行的一项基准测试显示,Harmony、LIGER和Seurat 3在计算时间、处理大规模数据集的能力以及批次效应校正效果方面表现良好,同时能有效保留细胞类型纯度。其中,Harmony因其显著更短的运行时间而被推荐为首选尝试方法 70。
4.2.2 统一注释和跨样本比较
批次校正后,下一步是进行统一的细胞类型注释和跨样本比较。这通常包括:
- 聚类与细胞类型识别: 对整合后的数据进行聚类,识别出具有相似基因表达特征的细胞群。然后,通过已知的标记基因(marker genes)或机器学习方法,对这些细胞群进行生物学注释,确定其细胞类型。
- 参考图谱构建与查询: 构建高质量的细胞类型参考图谱(cell atlas),然后可以将新的单细胞数据集与这些图谱进行比对,从而实现自动化的细胞类型注释和标准化比较。
- 差异基因表达分析: 在去除批次效应后,可以更可靠地进行跨样本或跨条件之间的差异基因表达分析,识别在不同状态下发生改变的基因。最新的工具如scDist,基于混合效应模型,能够稳健地识别单细胞RNA-seq数据中受扰动的细胞类型,即便在存在个体间和队列间变异的情况下也能有效减少假阳性发现,并成功应用于COVID-19和免疫治疗数据集,揭示了新的疾病机制和治疗响应洞察 73。
4.2.3 泛癌单细胞多组学整合研究的应用价值
泛癌单细胞多组学整合分析在挖掘保守细胞亚群、通用调控机制以及临床转化方面展现出巨大的潜力:
- 识别保守细胞亚群和通用调控机制: 通过整合来自不同癌症类型的大量单细胞数据,研究人员可以识别出在多种癌症中普遍存在的保守细胞亚群,如特定的免疫细胞(NK细胞 18、B细胞 43)、基质细胞(CAFs 30)或恶性细胞状态 12。这些保守亚群可能代表了肿瘤发生发展中的共同驱动力或抵抗治疗的通用机制。例如,一项泛癌单细胞图谱研究揭示了在肿瘤中富集、抗肿瘤功能受损且与不良预后及免疫治疗抵抗相关的肿瘤相关NK细胞,并指出特定髓系细胞亚群(LAMP3+树突状细胞)可能介导其功能调节 18。另一项针对肿瘤浸润B细胞的泛癌分析识别出两种保守的泛癌共有亚群:应激反应记忆B细胞和肿瘤相关非典型B细胞(TAABs),其中TAABs具有高克隆扩增和增殖能力,并与肿瘤中的活化CD4 T细胞密切相互作用,可预测免疫治疗反应 43。
- 克服样本量限制: 单个研究往往受限于样本量,难以捕捉稀有细胞类型或全面的生物学变异。泛癌整合分析通过汇集大量数据,有效增加了统计功效,有助于发现低丰度但重要的细胞群,并提高统计推断的可靠性。
- 构建高质量的细胞图谱: 整合后的泛癌数据可以作为构建全面、高质量细胞图谱的基础,为后续的单细胞研究提供标准化的参考。例如,通过整合不同数据集,可以构建出更完善的细胞类型分类系统,并发现新的细胞状态或谱系。
- 指导治疗策略的开发: 识别出的保守细胞亚群和通用调控机制可以作为开发广谱抗癌治疗策略的潜在靶点。例如,如果某种免疫抑制性细胞亚群在多种癌症中普遍存在并发挥关键作用,那么针对该亚群的治疗干预可能对广泛的肿瘤类型有效。前列腺癌M2巨噬细胞的单细胞分析整合了多项GEO和TCGA数据,最终筛选出9个M2巨噬细胞相关的预后基因(如SMOC2, PLPP1, HES1等),并构建了风险评分模型,验证了M2巨噬细胞及其相关基因在前列腺癌发生发展和转移中的关键作用,并可作为有效的预后预测因子 74。
- 揭示不同肿瘤类型的共性与特异性: 通过泛癌整合分析,不仅可以发现不同肿瘤之间的共性机制,还可以揭示特定肿瘤类型独有的生物学特征,从而更好地理解肿瘤的异质性,并为个性化治疗提供依据。
总而言之,跨队列、泛癌单细胞多组学数据整合分析是单细胞研究领域的重要发展方向。通过有效的批次校正、统一注释和深入比较,这些方法能够从海量数据中挖掘出深刻的生物学洞察,加速我们对肿瘤微环境的理解,并最终推动精准医疗的发展。
5. 单细胞多组学在肿瘤微环境研究中的临床转化进展
单细胞多组学技术不仅极大地深化了我们对肿瘤微环境(TME)复杂生物学的理解,也为肿瘤的临床诊断、预后评估和治疗策略的开发带来了革命性的机遇。通过对肿瘤组织、外周血等临床样本进行高分辨率分析,研究人员能够识别出与肿瘤进展、治疗响应及预后密切相关的细胞亚群和分子特征,从而推动精准医疗的发展。
5.1 肿瘤预后与治疗响应预测生物标志物发掘
单细胞多组学技术凭借其识别稀有细胞亚群和精细分子特征的能力,成为发掘肿瘤预后和治疗响应预测生物标志物的强大工具。这些生物标志物可以指导临床医生为患者选择最合适的个性化治疗方案。
5.1.1 预后预测生物标志物
- 髓系细胞亚群的预后价值: 肿瘤浸润髓系细胞(TIMs)在肿瘤生长中扮演关键角色。一项针对人非小细胞肺癌(NSCLC)患者的单细胞RNA测序(scRNA-seq)研究,揭示了25种TIM状态,其中大多数在患者间具有可重复性。这些发现为TIMs作为免疫治疗靶点的未来研究奠定了基础,也提示特定TIM亚群可能成为预后标志物 19。在透明细胞肾癌(ccRCC)中,通过单细胞蛋白活性分析和多光谱免疫荧光验证,研究人员发现了一个以TREM2/APOE/C1Q上调为特征的肿瘤特异性巨噬细胞亚群。在一个大型临床验证队列中,这些标记物在术后复发的患者肿瘤中显著富集,表明TREM2/APOE/C1Q阳性巨噬细胞浸润是ccRCC复发的潜在预后生物标志物,也是候选治疗靶点 75。此外,妇科恶性肿瘤(包括输卵管卵巢癌、子宫内膜癌和宫颈癌)的单细胞免疫微环境分析发现,一个促血管生成巨噬细胞亚群与不良临床结局相关,而一个干扰素预处理的巨噬细胞亚群则通过募集T细胞与改善生存率相关 76。
- 其他免疫细胞的预后指标: 肿瘤浸润B细胞(TIBs)的泛癌单细胞图谱揭示了其在丰度和亚型组成上的显著异质性。研究识别出两种在肿瘤中富集且具有预后潜力的泛癌共有亚群:应激反应记忆B细胞和肿瘤相关非典型B细胞(TAABs),其中TAABs具有高克隆扩增和增殖能力,并与肿瘤中的活化CD4 T细胞密切相互作用,可预测免疫治疗反应 43。自然杀伤(NK)细胞的泛癌分析也识别出一组在肿瘤中富集、抗肿瘤功能受损且与不良预后和免疫治疗抵抗相关的肿瘤相关NK细胞 18。在肝细胞癌(HCC)中,通过整合多组学数据,研究人员识别出5种具有不同临床预后、干性特征、免疫景观和治疗反应的转录组亚型。其中,Class 1表现出炎症表型和更好的临床结果,而Class 5和Class 3则指示抑制性肿瘤免疫微环境,可能对免疫检查点阻断和靶向治疗敏感 77。
- 基质细胞的预后作用: 癌相关成纤维细胞(CAFs)是TME的重要组成部分,其亚群的特异性特征可作为预后标志物。在非小细胞肺癌(NSCLC)中,一项研究通过scRNA-seq和空间转录组学分析,鉴定出一种肌成纤维细胞样CAF亚群——POSTN CAFs,该亚群在晚期肿瘤中显著富集,并与细胞外基质重塑、肿瘤侵袭和免疫抑制相关的基因表达特征相关。POSTN CAFs与SPP1巨噬细胞密切共定位,并与T细胞耗竭和浸润减少相关。POSTN的表达或POSTN CAFs的丰度与NSCLC患者的不良预后相关 78。
5.1.2 治疗响应预测生物标志物
- 免疫检查点抑制剂(ICI)响应: scRNA-seq在预测ICI治疗响应方面展现出巨大潜力。胃印戒细胞癌(GSRCC)对免疫治疗响应较差,其免疫微环境(TIME)表现出免疫无反应性,CD4和CD8 T细胞难以被激活,进而损害B细胞功能。研究发现,由滤泡辅助性T细胞、T辅助性17型细胞和耗竭性CD8 T细胞主要产生的CXCL13是TIME转变的关键协调因子,其表达水平可预测GC患者对ICI的响应 79。在膀胱癌(BLCA)中,整合scRNA-seq和批量RNA-seq数据构建的预后模型,发现高风险评分的患者预后较差,且对免疫治疗的响应可能性较低,这与更高的免疫细胞浸润和肿瘤突变负荷(TMB)相关 80。
- 化疗响应: 单细胞多组学可以识别与化疗抵抗相关的细胞亚群和通路。胰腺导管腺癌(PDAC)的单细胞RNA测序分析揭示了基底样恶性导管细胞亚群的比例是化疗响应和患者预后的关键决定因素。该研究发现,PDAC克隆进化过程中,伴随着与癌相关基因剂量改变相关的亚型特异性变化,通过形成免疫抑制微环境来进展和转移 81。
- 新型靶向治疗响应: scRNA-seq也可以识别对特定新型疗法有响应的标志物。例如,肝细胞癌(HCC)的分子分型研究,将患者分为五种TME亚型,发现某些亚型对免疫检查点阻断和靶向治疗敏感,而另一些则对经导管动脉化疗栓塞(TACE)治疗响应更佳,为指导HCC的精准治疗提供了依据 77。
5.2 肿瘤微环境靶向治疗新靶点开发
通过深入解析TME中细胞互作和功能调控机制,单细胞多组学技术为开发新的治疗靶点提供了丰富的线索。
- 靶向免疫抑制细胞: 在胶质瘤中,一项研究利用单细胞转录组学和谱系细胞术分析了48例人胶质瘤的免疫图谱,识别出22种不同的免疫细胞类型,并发现IDH野生型胶质瘤中抗原提呈细胞样小胶质细胞和细胞毒性CD8+ T细胞更为丰富 82。鉴于髓系细胞在构建免疫抑制微环境中的关键作用,针对它们的靶向策略备受关注。在结肠炎(UC)的研究中,单细胞分析揭示了色氨酸代谢在UC中具有显著的细胞类型异质性,巨噬细胞和成纤维细胞中活性最高。CTSS、S100A11和TUBB等关键基因在巨噬细胞中显著上调,提示它们作为生物标志物和治疗靶点的潜力 83。这一发现可能为其他炎症相关疾病甚至肿瘤中巨噬细胞的靶向提供启示。
- 靶向基质细胞以重塑TME: 癌相关成纤维细胞(CAFs)及其不同亚型已成为重要的治疗靶点。在结直肠癌中,CTHRC1+ CAFs通过WNT5A信号通路促进EMT(上皮-间充质转化)并增强肿瘤细胞侵袭性,上调邻近恶性上皮细胞中的MSLN表达。靶向CTHRC1+ CAF-WNT5A-MSLN信号轴为晚期结直肠癌患者提供了有前景的治疗策略 84。在非小细胞肺癌中发现的POSTN CAFs与SPP1巨噬细胞协同作用,促进促纤维化微环境形成和免疫抑制,其与不良预后相关,提示POSTN CAFs可能是新的治疗靶点 78。
- 增强免疫效应细胞功能: S100A4被鉴定为胶质瘤免疫抑制性T细胞和髓系细胞的调节因子。删除非癌细胞中的S100A4足以重塑免疫景观并显著改善生存率,表明S100A4是一个潜在的免疫治疗靶点 85。在类风湿关节炎(RA)的研究中,整合单细胞RNA-seq、批量RNA-seq、孟德尔随机化和eQTL分析揭示了T细胞异质性。ICOS和IL6ST被鉴定为与RA T细胞相关的诊断特征,为RA免疫治疗策略提供了新思路 86。这些发现也可能为肿瘤T细胞功能障碍的逆转提供借鉴。
- 靶向细胞间通讯通路: 肿瘤细胞与TME中其他细胞的复杂通讯网络提供了许多潜在的靶点。例如,在肝内胆管癌(ICC)中,血管癌相关成纤维细胞(vCAFs)通过分泌IL-6促进肿瘤进展,而ICC细胞则通过外泌体miR-9-5p诱导vCAFs高表达IL-6,形成一个促肿瘤的恶性循环。中断这种循环可以成为新的治疗策略。
- 结合多模态信息开发新策略: 空间肿瘤学通过将分子分析与微环境特征相结合,为理解细胞相互作用和组织结构提供了关键的原位背景 87。这使得在TME中识别出具有临床相关性的特征,如神经周围侵犯、三级淋巴结构和肿瘤-基质界面等,为增强治疗和诊断方法提供了新的策略。
综上所述,单细胞多组学技术正在从分子层面揭示肿瘤微环境的复杂性,并在此基础上开发出更精准的预后和治疗响应预测生物标志物,以及针对免疫抑制微环境和特定细胞亚群的创新治疗靶点。这些进展有望显著改善肿瘤患者的诊疗结局。
6. 挑战与未来展望
单细胞多组学技术在肿瘤微环境研究中取得了突破性进展,极大地深化了我们对肿瘤异质性、细胞互作和免疫逃逸机制的理解,并为临床转化带来了新的希望。然而,这项新兴技术在走向成熟和广泛应用的过程中,仍然面临诸多挑战。
6.1 当前挑战
技术局限性与成本:
- 通量与分辨率的权衡: 尽管单细胞测序技术通量不断提高,但同时实现高通量、高分辨率(例如全长转录本测序)以及检测稀有转录本或低表达基因仍然是一个挑战。空间转录组技术在空间分辨率、灵敏度、多重能力、通量和覆盖范围等方面仍有待发展 88。
- 多组学数据的获取: 同时在单细胞水平上获取高质量的多组学数据(如基因组、转录组、蛋白质组、表观基因组、代谢组)仍然具有技术难度和高成本。虽然多组学联合分析能够提供更全面的细胞状态信息 9,但目前实现起来仍需克服许多技术瓶颈。
- 样本处理与细胞完整性: 肿瘤组织的异质性、纤维化程度以及细胞间的紧密连接,使得细胞解离过程可能导致细胞应激、基因表达改变,甚至丢失部分脆弱细胞类型。这可能影响数据的真实性和代表性。
- 数据量巨大与计算挑战: 单细胞多组学数据量庞大且复杂,需要强大的计算资源和高效的生物信息学算法进行数据处理、整合、降噪和解释。人工智能已在处理多组学数据方面展现出能力,但仍需高效算法来提取有价值的见解 89。
数据分析与整合的复杂性:
- 批次效应与数据整合: 来自不同平台、不同批次甚至不同实验室的数据存在显著的批次效应,这给跨研究、泛癌或多中心数据整合带来了巨大挑战。尽管已有多种批次校正算法(如Harmony, Seurat V3, LIGER)问世,但仍需不断优化,以在去除技术误差的同时,最大限度地保留生物学变异 10。
- 细胞类型注释的标准化: 缺乏统一的细胞类型命名和注释标准,导致不同研究之间难以进行直接比较和结果验证。例如,针对T细胞状态,已有研究通过整合多项研究建立了参考图谱和投影算法,以实现T细胞异质性描述的一致性 90。建立高质量的细胞类型参考图谱和通用的注释框架是解决这一问题的关键。
- 细胞互作推断的准确性: 基于配体-受体表达推断细胞间互作的方法存在局限性,例如无法区分配体是分泌型还是膜结合型,也无法捕获所有可能的细胞间通讯模式(如膜接触依赖性、胞外囊泡介导等)。此外,空间信息缺失或分辨率不足也限制了互作推断的准确性。
- 多模态数据整合的挑战: 将scRNA-seq与空间转录组、单细胞ATAC-seq等不同模态的数据进行有效整合,以全面揭示基因表达、染色质可及性和空间定位之间的复杂关系,仍然是计算生物学领域的前沿难题 10。
临床转化面临的挑战:
- 生物标志物的验证与标准化: 虽然单细胞多组学技术能够发现潜在的预后和治疗响应生物标志物,但这些标志物在临床应用前需要大规模、多中心、前瞻性的临床试验进行严格的验证。此外,如何将单细胞发现转化为可用于常规临床检测的标准化、低成本方法也是一个难题。
- 样本异质性与可及性: 肿瘤样本的异质性(如取样部位、肿瘤内不同区域)以及有限的样本可及性(如活检组织量小),使得全面获取具有代表性的单细胞多组学数据面临挑战。
- 治疗靶点的可药性与安全性: 基于单细胞数据发现的潜在治疗靶点,需要进一步评估其可药性,并进行严格的临床前和临床安全性与有效性测试。靶向特定细胞亚群可能导致脱靶效应和毒副作用。
6.2 未来展望
尽管面临诸多挑战,单细胞多组学技术及其在肿瘤微环境研究中的应用仍充满巨大的发展潜力。
技术创新与集成化平台:
- 更高通量、更高分辨率、更低成本的技术: 未来将出现能够同时实现更高通量、更高空间分辨率(亚细胞级)、更深层分子信息(如蛋白质、代谢物、表观遗传修饰)检测的集成化多组学平台。例如,将空间蛋白质组学、空间代谢组学与空间转录组学结合,以提供更全面的空间分子图谱 9。
- 活体单细胞分析技术: 发展能够在活体状态下对单个细胞进行长期追踪和分子分析的技术,这将有助于实时监测肿瘤微环境的动态变化、细胞谱系演进以及治疗响应过程,而非仅仅是静态快照。
- 原位多组学技术: 进一步发展无需解离组织即可同时获取多种分子信息(转录组、蛋白质组、表观基因组)的原位多组学技术,从而最大限度地保留细胞的天然状态和空间信息。
计算方法与人工智能的融合:
- 更强大的数据整合与分析算法: 深度学习和人工智能技术将发挥越来越重要的作用,发展更智能的算法来有效整合异质性多组学数据,准确校正批次效应,识别稀有细胞亚群,并推断复杂的细胞互作网络。例如,利用图神经网络、注意力机制等技术,更精准地捕捉细胞间空间距离和分子交流。
- 预测模型与数字病理: 将单细胞多组学数据与影像学(如病理切片、医学影像)信息结合,开发集成化的预测模型。通过机器学习从数字病理图像中提取特征,并与分子数据结合,实现更精准的疾病诊断、预后评估和治疗响应预测 89。
- 计算模拟与虚拟组织: 发展基于单细胞多组学数据的计算模拟模型,构建“虚拟肿瘤组织”,预测不同治疗干预对TME的影响,加速药物研发进程。
临床转化的加速:
- 标准化流程与数据库建设: 建立全球统一的单细胞多组学数据生成、处理和分析标准,并构建大规模、高质量、可共享的肿瘤单细胞多组学数据库和参考图谱。这将为全球研究者提供宝贵的资源,促进泛癌研究和生物标志物发现。
- 液体活检的单细胞多组学应用: 将单细胞多组学技术应用于液体活检样本(如循环肿瘤细胞、循环肿瘤DNA、外泌体),实现肿瘤的早期诊断、实时监测和复发预测,为患者提供非侵入性的个性化管理方案。
- 新型靶点与个性化治疗: 基于单细胞多组学发现的免疫抑制细胞亚群、关键细胞互作轴、代谢重编程等,开发针对性的免疫治疗(如新型检查点抑制剂、CAR-T/NK细胞疗法)、靶向治疗和联合治疗方案。例如,针对泛癌中保守的免疫抑制机制开发广谱的抗肿瘤策略,同时根据患者特异性的TME特征进行精准治疗分层。
- 药物重定位与联合用药: 利用单细胞数据识别现有药物对特定细胞亚群的潜在作用,从而实现药物重定位,并探索最佳的药物联合方案,克服肿瘤耐药性。
总之,单细胞多组学技术正处于快速发展和变革之中。尽管当前仍面临诸多挑战,但随着技术的不断革新、计算方法的日益成熟以及多学科的交叉融合,这项技术必将在肿瘤微环境研究领域发挥更核心的作用,为最终实现肿瘤的精准诊断和个性化治疗贡献里程碑式的力量。