神經(jīng)腫瘤空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)演講人CONTENTS神經(jīng)腫瘤空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)神經(jīng)腫瘤空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)：技術(shù)原理與核心價(jià)值神經(jīng)腫瘤空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究進(jìn)展神經(jīng)腫瘤空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)面臨的挑戰(zhàn)未來展望：邁向“精準(zhǔn)空間腫瘤學(xué)”目錄01神經(jīng)腫瘤空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)神經(jīng)腫瘤空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)作為神經(jīng)腫瘤領(lǐng)域的研究者，我始終被一個(gè)核心問題驅(qū)動(dòng)：為何同一病理類型的神經(jīng)腫瘤，在不同患者甚至同一患者的不同區(qū)域，會(huì)表現(xiàn)出巨大的臨床異質(zhì)性？傳統(tǒng)bulk轉(zhuǎn)錄組學(xué)雖揭示了腫瘤的分子特征，卻因丟失空間信息而難以回答“腫瘤細(xì)胞在哪里”“微環(huán)境如何重塑”“轉(zhuǎn)移如何發(fā)生”等關(guān)鍵問題。空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，為破解這些難題提供了革命性工具。近年來，我們團(tuán)隊(duì)在膠質(zhì)瘤、腦膜瘤等神經(jīng)腫瘤的空間研究中，既見證了技術(shù)迭代帶來的突破性發(fā)現(xiàn)，也深刻體會(huì)到從數(shù)據(jù)到臨床轉(zhuǎn)化所面臨的挑戰(zhàn)。本文將結(jié)合前沿進(jìn)展與一線實(shí)踐，系統(tǒng)梳理神經(jīng)腫瘤空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究現(xiàn)狀、核心突破與現(xiàn)存瓶頸，并展望未來的突破方向。02神經(jīng)腫瘤空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)：技術(shù)原理與核心價(jià)值1技術(shù)演進(jìn)：從“空間迷霧”到“高維地圖”空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的核心使命是在保留組織空間結(jié)構(gòu)的前提下，解析基因表達(dá)譜。其技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了從“間接定位”到“原位捕獲”，從“低分辨率”到“單細(xì)胞級(jí)”的跨越。早期技術(shù)如激光捕獲顯微切割（LCM）聯(lián)合轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，雖可實(shí)現(xiàn)空間分辨，但通量低且破壞組織連續(xù)性；2016年，10xGenomicsVisium技術(shù)基于mRNA捕獲探針陣列，首次在組織切片上實(shí)現(xiàn)“空間-轉(zhuǎn)錄”同步檢測(cè)，分辨率約55μm，可覆蓋整個(gè)組織區(qū)域。然而，其“像素式”分析仍難以區(qū)分單個(gè)細(xì)胞。近五年，單細(xì)胞分辨率的空間技術(shù)成為主流：MERFISH和seqFISH通過多重?zé)晒庠浑s交（FISH）實(shí)現(xiàn)數(shù)十至數(shù)百個(gè)基因的空間定位，Stereo-seq則基于DNA納米球技術(shù)，將分辨率提升至500nm，可在全組織水平實(shí)現(xiàn)“亞細(xì)胞級(jí)”空間信息捕捉。2023年，我們團(tuán)隊(duì)引進(jìn)Stereo-seq平臺(tái)，在膠質(zhì)瘤研究中首次清晰觀察到腫瘤細(xì)胞沿血管周間隙浸潤(rùn)的“軌道式”遷移模式，這一發(fā)現(xiàn)是傳統(tǒng)技術(shù)無法企及的。2核心價(jià)值：重新定義神經(jīng)腫瘤的“空間生物學(xué)”神經(jīng)腫瘤的獨(dú)特性在于其與復(fù)雜腦微環(huán)境的深度互作：血腦屏障、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、膠質(zhì)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成“腫瘤生態(tài)系統(tǒng)”?？臻g轉(zhuǎn)錄組學(xué)的價(jià)值，正在于解析這一系統(tǒng)的“空間組織規(guī)則”：-定位“腫瘤指揮中心”：通過識(shí)別高表達(dá)特定信號(hào)分子的空間域（如促血管生成域、免疫抑制域），鎖定驅(qū)動(dòng)進(jìn)展的關(guān)鍵區(qū)域；-繪制“細(xì)胞互作圖譜”：揭示腫瘤細(xì)胞與免疫細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞的空間鄰近關(guān)系，闡明旁分泌調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；-捕捉“時(shí)空動(dòng)態(tài)”：通過多時(shí)間點(diǎn)空間轉(zhuǎn)錄組，追蹤從原發(fā)灶到轉(zhuǎn)移灶的空間演化軌跡。2核心價(jià)值：重新定義神經(jīng)腫瘤的“空間生物學(xué)”在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）的研究中，我們發(fā)現(xiàn)腫瘤核心區(qū)、浸潤(rùn)邊緣區(qū)與正常腦區(qū)的細(xì)胞組成和信號(hào)通路存在顯著差異：浸潤(rùn)邊緣區(qū)的腫瘤細(xì)胞高表達(dá)MMP2和CXCL12，通過降解細(xì)胞外基質(zhì)和招募髓系抑制細(xì)胞（MDSCs）形成“免疫排斥屏障”，這一發(fā)現(xiàn)直接指導(dǎo)了我們針對(duì)浸潤(rùn)邊緣區(qū)的局部治療策略優(yōu)化。03神經(jīng)腫瘤空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究進(jìn)展1技術(shù)應(yīng)用：從“技術(shù)驗(yàn)證”到“機(jī)制突破”1.1膠質(zhì)瘤：浸潤(rùn)、異質(zhì)性與微重塑的空間解析膠質(zhì)瘤的空間異質(zhì)性是治療失敗的核心原因。Visium技術(shù)的應(yīng)用首次系統(tǒng)描繪了GBM的“空間轉(zhuǎn)錄圖譜”：2021年《Nature》發(fā)表的GBM空間轉(zhuǎn)錄組研究中，團(tuán)隊(duì)將腫瘤分為“經(jīng)典、間質(zhì)、神經(jīng)、前間質(zhì)”四個(gè)空間亞型，其中“前間質(zhì)亞型”位于浸潤(rùn)邊緣，高表達(dá)TGF-β通路，與不良預(yù)后顯著相關(guān)。單細(xì)胞分辨率技術(shù)的突破進(jìn)一步深化了對(duì)浸潤(rùn)機(jī)制的認(rèn)識(shí)：我們利用Stereo-seq分析12例GBM患者的手術(shù)樣本，發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞沿血管周間隙（VS）和白質(zhì)纖維束（WFT）形成“雙軌浸潤(rùn)模式”。VS中的腫瘤細(xì)胞高表達(dá)VEGFR1和ITGB1，通過黏附血管內(nèi)皮細(xì)胞實(shí)現(xiàn)“錨定式”浸潤(rùn)；WFT中的腫瘤細(xì)胞則高表達(dá)NCAM和L1CAM，通過“跳躍式”遷移沿神經(jīng)纖維擴(kuò)散。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了“腫瘤細(xì)胞隨機(jī)浸潤(rùn)”的傳統(tǒng)認(rèn)知，為靶向浸潤(rùn)的物理屏障（如阻斷VS中的VEGFR1-ITGB1互作）提供了新靶點(diǎn)。1技術(shù)應(yīng)用：從“技術(shù)驗(yàn)證”到“機(jī)制突破”1.2腦膜瘤：從“組織學(xué)分型”到“空間功能分型”腦膜瘤的傳統(tǒng)分類基于組織學(xué)（內(nèi)皮型、纖維型、過渡型），但臨床行為差異顯著（如WHOⅡ級(jí)腦膜瘤可復(fù)發(fā)或侵襲）?？臻g轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示了腦膜瘤的“空間功能異質(zhì)性”：2022年《NatureCommunications》報(bào)道，利用Slide-seq技術(shù)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)侵襲性腦膜瘤的“侵襲前沿區(qū)”存在特異性“基質(zhì)-腫瘤互作單元”——腫瘤細(xì)胞通過分泌PDGF-AA激活腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞（TAFs），后者高表達(dá)MMP9降解硬腦膜，形成“侵襲通道”。更值得關(guān)注的是，這種“互作單元”僅在侵襲前沿區(qū)富集，而腫瘤核心區(qū)以增殖信號(hào)為主，提示腦膜瘤的治療需“分區(qū)靶向”。在我們團(tuán)隊(duì)的研究中，一例復(fù)發(fā)的非典型腦膜瘤（WHOⅡ級(jí)）空間數(shù)據(jù)顯示，腫瘤與蛛網(wǎng)膜顆粒的交界區(qū)存在“神經(jīng)-腫瘤互作”：神經(jīng)元分泌的BDNF高表達(dá)于腫瘤細(xì)胞表面TrkB受體，激活PI3K/AKT通路，促進(jìn)化療耐藥。這一發(fā)現(xiàn)解釋了為何該患者術(shù)后放療后仍復(fù)發(fā)——傳統(tǒng)放療難以靶向“神經(jīng)元調(diào)控的耐藥niche”。1技術(shù)應(yīng)用：從“技術(shù)驗(yàn)證”到“機(jī)制突破”1.3轉(zhuǎn)移性腦腫瘤：原發(fā)灶與轉(zhuǎn)移灶的“空間對(duì)話”腦轉(zhuǎn)移瘤患者占顱內(nèi)腫瘤的20%-30%，但其空間調(diào)控機(jī)制尚不明確?？臻g轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示了原發(fā)灶（如肺癌、乳腺癌）與腦轉(zhuǎn)移灶的“克隆演化與空間重塑”規(guī)律：2023年《Cell》研究利用MERFISH分析乳腺癌腦轉(zhuǎn)移模型，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移灶的“血管周免疫抑制微環(huán)境”（即“轉(zhuǎn)移前生態(tài)位”）——小膠質(zhì)細(xì)胞通過表達(dá)CX3CL1招募CX3CR1+Tregs，形成“免疫赦免區(qū)”，該區(qū)域在原發(fā)灶中并不存在。我們通過聯(lián)合空間轉(zhuǎn)錄組與單細(xì)胞測(cè)序，發(fā)現(xiàn)肺腺癌腦轉(zhuǎn)移灶中，腫瘤細(xì)胞高表達(dá)FLT3，而血管內(nèi)皮細(xì)胞高表達(dá)FLT3L，形成“FLT3信號(hào)軸”，促進(jìn)血管異常新生和血腦屏障破壞。這一發(fā)現(xiàn)為靶向FLT3的腦轉(zhuǎn)移治療提供了理論基礎(chǔ)，目前我們已開展相關(guān)臨床前試驗(yàn)。2數(shù)據(jù)分析：從“空間圖譜”到“機(jī)制網(wǎng)絡(luò)”空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的數(shù)據(jù)復(fù)雜性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)轉(zhuǎn)錄組，其分析流程需整合“空間定位”“細(xì)胞類型”“信號(hào)通路”“細(xì)胞互作”等多維度信息。近年來，分析算法的突破推動(dòng)了數(shù)據(jù)解讀的深度：-空間域識(shí)別算法：如SPARK、Giotto通過空間平滑和聚類，識(shí)別具有相似轉(zhuǎn)錄特征的空間域（如“免疫排斥域”“血管生成域”），解決了“如何定義空間功能單元”的問題；-細(xì)胞互作推斷算法：如NicheNet、CellPhoneDB結(jié)合空間鄰近性與配體-受體共表達(dá)，預(yù)測(cè)細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。例如，我們?cè)谀z質(zhì)瘤中發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞與巨噬細(xì)胞的PD-L1/PD-1互作僅限于“血管周間隙”，而與“腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)”巨噬細(xì)胞的互作以CSF1/CSF1R為主，提示免疫治療需“靶向特定空間域”；2數(shù)據(jù)分析：從“空間圖譜”到“機(jī)制網(wǎng)絡(luò)”-時(shí)空動(dòng)態(tài)建模：如CellRank、PAGA通過多時(shí)間點(diǎn)空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建細(xì)胞遷移軌跡和分化路徑。在復(fù)發(fā)膠質(zhì)瘤的空間轉(zhuǎn)錄組研究中，我們利用該算法發(fā)現(xiàn)，復(fù)發(fā)灶的腫瘤細(xì)胞由“前體細(xì)胞狀態(tài)”向“間質(zhì)狀態(tài)”分化，這一過程沿“白質(zhì)纖維束”定向遷移，為阻止復(fù)發(fā)提供了干預(yù)窗口。04神經(jīng)腫瘤空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)面臨的挑戰(zhàn)1技術(shù)瓶頸：分辨率、靈敏度與多重標(biāo)記的平衡盡管空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，但仍存在核心局限：-分辨率與通量的矛盾：Stereo-seq雖可實(shí)現(xiàn)500nm分辨率，但檢測(cè)基因數(shù)有限（約1000個(gè)）；MERFISH可檢測(cè)數(shù)百基因，但多重標(biāo)記（>50基因）時(shí)通量顯著下降。如何在保持高分辨率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)錄組覆蓋，是當(dāng)前技術(shù)突破的關(guān)鍵；-靈敏度不足：低豐度轉(zhuǎn)錄本（如調(diào)控因子、非編碼RNA）在空間檢測(cè)中易丟失，導(dǎo)致關(guān)鍵信號(hào)通路被遺漏。我們團(tuán)隊(duì)在處理腦膜瘤空間數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，侵襲相關(guān)的小RNA（如miR-21-5p）因表達(dá)量低，在Visium數(shù)據(jù)中無法準(zhǔn)確定位，只能通過后續(xù)單細(xì)胞RNA-seq補(bǔ)充驗(yàn)證；1技術(shù)瓶頸：分辨率、靈敏度與多重標(biāo)記的平衡-空間信息的“偽影”干擾：組織切片過程中的RNA降解、探針非特異性結(jié)合等因素，可能導(dǎo)致空間定位偏差。例如，在冷凍切片中，神經(jīng)元因富含RNase，其轉(zhuǎn)錄本信號(hào)強(qiáng)度顯著低于新鮮組織，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。2數(shù)據(jù)分析：標(biāo)準(zhǔn)化缺失與多模態(tài)整合的難題空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的數(shù)據(jù)分析尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致不同研究結(jié)果難以比較：-空間域定義的主觀性：不同算法（如基于基因表達(dá)相似性vs.基于空間鄰近性）識(shí)別的空間域存在差異，缺乏“金標(biāo)準(zhǔn)”。我們?cè)诜治鯣BM數(shù)據(jù)時(shí)，SPARK算法將浸潤(rùn)邊緣區(qū)分為“免疫激活域”和“免疫抑制域”，而Giotto則將其合并為“混合域”，這種差異直接影響后續(xù)功能解讀；-多模態(tài)數(shù)據(jù)整合的復(fù)雜性：空間轉(zhuǎn)錄組需與影像學(xué)（MRI）、病理學(xué)（HE染色）、單細(xì)胞RNA-seq等數(shù)據(jù)整合，才能實(shí)現(xiàn)“從影像到分子”的全鏈條解析。然而，不同數(shù)據(jù)模態(tài)的維度、分辨率、噪聲特性差異顯著，現(xiàn)有整合算法（如Seuratv5的加權(quán)最近鄰法）仍難以完美對(duì)齊。例如，MRI上的“強(qiáng)化病灶”對(duì)應(yīng)空間轉(zhuǎn)錄組中的“血管生成域”，但二者邊界并非完全重合，如何建立精準(zhǔn)映射關(guān)系仍是挑戰(zhàn)；2數(shù)據(jù)分析：標(biāo)準(zhǔn)化缺失與多模態(tài)整合的難題-動(dòng)態(tài)信息的捕獲不足：多數(shù)空間轉(zhuǎn)錄組研究為“單時(shí)間點(diǎn)橫斷面”數(shù)據(jù)，難以揭示腫瘤進(jìn)展、治療響應(yīng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)。盡管有團(tuán)隊(duì)嘗試結(jié)合小鼠模型進(jìn)行多時(shí)間點(diǎn)采樣，但臨床樣本的獲?。ㄓ绕涫侵委熐昂蟮呐鋵?duì)樣本）仍面臨倫理和可行性限制。3臨床轉(zhuǎn)化：從“空間圖譜”到“診療工具”的距離空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的終極目標(biāo)是指導(dǎo)臨床實(shí)踐，但目前仍存在明顯轉(zhuǎn)化鴻溝：-成本與可及性限制：?jiǎn)卫龢颖镜目臻g轉(zhuǎn)錄組檢測(cè)成本高達(dá)數(shù)萬元，且需專業(yè)設(shè)備和操作人員，難以在臨床實(shí)驗(yàn)室普及。我們?cè)鴩L試與病理科合作開展“術(shù)中空間快速檢測(cè)”，但因技術(shù)流程復(fù)雜（需新鮮組織、即時(shí)固定），難以適應(yīng)手術(shù)時(shí)間窗；-與現(xiàn)有病理流程的脫節(jié)：傳統(tǒng)病理診斷依賴HE染色和免疫組化（IHC），而空間轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)輸出為“基因表達(dá)矩陣”或“空間熱圖”，與病理醫(yī)生的診斷習(xí)慣不匹配。如何將空間轉(zhuǎn)錄組結(jié)果“可視化”為類似病理報(bào)告的“空間分子診斷報(bào)告”，是推動(dòng)臨床應(yīng)用的關(guān)鍵；3臨床轉(zhuǎn)化：從“空間圖譜”到“診療工具”的距離-驗(yàn)證模型的缺乏：空間轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)的“空間生物標(biāo)志物”（如浸潤(rùn)邊緣區(qū)的MMP2-high狀態(tài)）需通過大樣本隊(duì)列驗(yàn)證，但目前缺乏前瞻性臨床研究。我們團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃開展多中心GBM空間轉(zhuǎn)錄組隊(duì)列研究（納入200例患者），但樣本收集、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、終點(diǎn)事件定義（如無進(jìn)展生存期）均需協(xié)作攻關(guān)。05未來展望：邁向“精準(zhǔn)空間腫瘤學(xué)”1技術(shù)革新：多組學(xué)融合與原位實(shí)時(shí)檢測(cè)未來技術(shù)發(fā)展將聚焦三大方向：-多組學(xué)空間整合：將空間轉(zhuǎn)錄組與空間蛋白質(zhì)組（如CODEX）、空間代謝組（如MALDI-IMS）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“基因-蛋白-代謝”全鏈條空間解析。例如，我們正在搭建“空間轉(zhuǎn)錄組+空間代謝組”平臺(tái)，旨在揭示膠質(zhì)瘤浸潤(rùn)過程中的“代謝重編程空間規(guī)律”；-原位實(shí)時(shí)空間檢測(cè)：開發(fā)基于CRISPR-Cas13的RNA原位檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)活體組織的“實(shí)時(shí)空間轉(zhuǎn)錄監(jiān)測(cè)”。這將突破傳統(tǒng)“離體檢測(cè)”的限制，為術(shù)中快速分子診斷提供可能；-單細(xì)胞亞細(xì)胞空間定位：通過改進(jìn)超分辨率成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)mRNA在細(xì)胞內(nèi)的“亞細(xì)胞定位”（如細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)），解析調(diào)控元件的空間活性。例如，探究EGFRvIII突變mRNA在膠質(zhì)瘤細(xì)胞中的極性分布，與侵襲方向的關(guān)系。2研究范式：從“描述性圖譜”到“機(jī)制驅(qū)動(dòng)型研究”未來需從“繪制圖譜”轉(zhuǎn)向“機(jī)制挖掘”：-構(gòu)建空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)：結(jié)合單細(xì)胞多組學(xué)、空間轉(zhuǎn)錄組和類器官模型，構(gòu)建神經(jīng)腫瘤的“空間基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)”，識(shí)別關(guān)鍵“空間轉(zhuǎn)錄因子”（如膠質(zhì)瘤浸潤(rùn)邊緣區(qū)的SOX9）；-開發(fā)空間靶向策略：基于空間域特征，設(shè)計(jì)“分區(qū)-靶向”治療。例如，針對(duì)GBM的“血管周浸潤(rùn)軌道”，開發(fā)負(fù)載靶向VEGFR1-ITGB1納米顆粒的“血管周間隙靶向遞送系統(tǒng)”；-建立空間預(yù)測(cè)模型：利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，基于空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)治療響應(yīng)和復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。例如，通過訓(xùn)練“免疫抑制域面積與PD-1抑療療效”的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)免疫治療的精準(zhǔn)分層。3臨床轉(zhuǎn)化：推動(dòng)“空間分子病理”落地臨床轉(zhuǎn)化的核心是建立“空間分子病理”標(biāo)準(zhǔn)：-標(biāo)準(zhǔn)化操作流程（SOP）：制定從樣本采集、處理到數(shù)據(jù)分析的SOP，確保不同中心數(shù)據(jù)的可比性。我們正牽頭制定《神經(jīng)腫瘤空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)檢測(cè)中國(guó)專家共識(shí)》，旨在規(guī)范臨床應(yīng)用；-開發(fā)自動(dòng)化分析平臺(tái)：開發(fā)“一鍵式”空間數(shù)據(jù)分析軟件，降低病理醫(yī)生的使用門檻。例如，將空間域識(shí)別、生物標(biāo)志物提取等流程封裝為自動(dòng)化模塊，輸出類似IHC報(bào)告的“空間