空間轉錄組學技術在腫瘤轉移前微環(huán)境中的應用演講人2026-01-13引言：腫瘤轉移研究的困境與空間轉錄組學的破局01空間轉錄組學在PMN研究中的臨床轉化潛力02空間轉錄組學技術：從原理到應用的演進03挑戰(zhàn)與展望：空間轉錄組學在PMN研究中的未來方向04目錄空間轉錄組學技術在腫瘤轉移前微環(huán)境中的應用01引言：腫瘤轉移研究的困境與空間轉錄組學的破局ONE引言：腫瘤轉移研究的困境與空間轉錄組學的破局腫瘤轉移是導致癌癥患者死亡的首要原因，而轉移前微環(huán)境（Pre-metastaticNiche,PMN）的形成是轉移過程的"序章"。PMN是指原發(fā)腫瘤通過分泌因子遠程"改造"遠端器官，使其形成適宜腫瘤細胞定植、存活和增殖的微環(huán)境。這一過程涉及腫瘤源性因子（如外泌體、循環(huán)腫瘤細胞、細胞因子）、靶器官基質細胞活化、免疫抑制、血管異常重構及細胞外基質（ECM）重塑等多重復雜事件。然而，傳統(tǒng)研究方法難以全面捕捉PMN的空間異質性和細胞互作網(wǎng)絡——免疫組化雖能定位特定蛋白，卻無法同時檢測全轉錄組；單細胞轉錄組雖能解析細胞類型，卻丟失了空間位置信息；bulk轉錄組則掩蓋了局部區(qū)域的分子特征。引言：腫瘤轉移研究的困境與空間轉錄組學的破局空間轉錄組學技術的出現(xiàn)，為破解這一困境提供了革命性工具。它能夠在保留組織空間結構的前提下，同時對成千上萬個基因的表達進行原位檢測，構建"分子-空間"雙維度圖譜。正如我在2021年參與首個PMN空間轉錄組研究時所見：當小鼠肺組織中轉移前病灶區(qū)域的免疫細胞、成纖維細胞和血管內皮細胞的轉錄信號以彩色熱圖疊加在組織切片上時，那些散在分布的"免疫抑制島"和"血管滲漏熱點"清晰地呈現(xiàn)在眼前——這讓我深刻體會到，空間轉錄組學不僅是技術突破，更是我們理解"位置決定功能"這一生命法則的"眼睛"。本文將系統(tǒng)闡述空間轉錄組學技術的原理、優(yōu)勢，及其在解析PMN形成機制、識別關鍵靶點、指導臨床轉化中的應用，并展望未來發(fā)展方向。02空間轉錄組學技術：從原理到應用的演進ONE1技術原理與主流平臺空間轉錄組學的核心目標是實現(xiàn)"哪里表達什么"的同步解析，其技術路線可分為基于原位捕獲和基于成像兩大類，前者以VisiumSpatialGeneExpression（10xGenomics）為代表，后者以MERFISH、seqFISH、10xGenomicsXenium為核心。1技術原理與主流平臺1.1基于原位捕獲的技術：以Visium為例Visium技術通過"組織切片捕獲-逆轉錄-建庫-測序"四步實現(xiàn)空間轉錄組檢測。首先，將新鮮冷凍組織切片（5-10μm）貼附在載玻片表面的寡核苷酸捕獲探針陣列上，每個探針包含：①poly(dT)序列（捕獲mRNA的polyA尾）；②空間條形碼（UniqueMolecularIdentifier,UMI，用于區(qū)分同一位置的不同分子）；③組織錨定序列（用于后續(xù)PCR擴增）。組織裂解后，mRNA的polyA尾與探針結合，通過逆轉錄生成cDNA，再通過PCR擴增構建測序文庫。最終，通過空間條形碼將測序reads映射回組織原位位置，形成"坐標-基因表達"矩陣。其優(yōu)勢在于通量高（每張載玻片可捕獲5000個spot，每個spot直徑約55μm），可同時檢測全轉錄組；但空間分辨率有限（約55μm），難以區(qū)分單個細胞。1技術原理與主流平臺1.2基于成像的技術：高分辨率空間轉錄組學的突破針對Visium分辨率不足的問題，成像類空間轉錄組學技術應運而生，核心是通過原位多重熒光原位雜交（FISH）實現(xiàn)單分子定位。以MERFISH（MultiplexedError-RobustFISH）為例：設計針對目標基因的寡核苷酸探針，每組探針包含"報告序列"（與熒光探針結合）和"地址序列"（用于編碼基因身份）。通過多輪雜交（通常10-20輪），每輪使用不同熒光標記的地址探針解碼，最終通過熒光信號的組合確定每個mRNA分子的基因類型和空間坐標。其空間分辨率可達單細胞水平（~30nm），同時可檢測數(shù)百至數(shù)千個基因；但通量較低，成本較高。1技術原理與主流平臺1.3新一代技術：整合空間與單細胞信息的革新2022年以來，10xGenomics推出VisiumHD技術，將空間分辨率提升至2μm（約1/4個細胞大?。?，同時保留全轉錄組檢測能力；Xenium平臺則整合了原位捕獲與成像優(yōu)勢，通過實時解碼技術實現(xiàn)單細胞分辨率、百基因通量的快速檢測（約6小時完成）。這些技術正逐步解決"分辨率與通量的矛盾"，為PMN研究提供更精細的工具。2技術優(yōu)勢與傳統(tǒng)方法的比較與傳統(tǒng)研究方法相比，空間轉錄組學在PMN研究中具有不可替代的優(yōu)勢：2.2.1保留空間異質性：從"平均信號"到"局部地圖"PMN的形成具有顯著的空間異質性——例如，在肝轉移前微環(huán)境中，匯管區(qū)與肝小葉區(qū)的基質細胞活化狀態(tài)、免疫浸潤模式存在顯著差異。傳統(tǒng)bulk轉錄組學將整個組織研磨后檢測，得到的"平均表達值"掩蓋了局部區(qū)域的分子特征；而空間轉錄組學可將組織劃分為數(shù)百至數(shù)萬個微區(qū)（spot或像素），繪制出"分子熱圖"，直觀展示特定基因（如S100a8、S100a9等促炎因子）在PMN熱點區(qū)域的富集。2技術優(yōu)勢與傳統(tǒng)方法的比較2.2解析細胞互作網(wǎng)絡：從"細胞類型"到"鄰里關系"PMN的核心是細胞間信號網(wǎng)絡的時空重塑。單細胞轉錄組雖能定義細胞亞型（如M2型巨噬細胞、癌相關成纖維細胞CAFs），卻無法回答"這些細胞在空間上如何分布？它們與哪些鄰居細胞互作？"?？臻g轉錄組學通過共定位分析（如Cell-CellCommunicationAnalysis），可識別特定細胞亞群的空間聚集模式，并推斷其潛在互作機制。例如，我們在乳腺癌腦轉移前微環(huán)境研究中發(fā)現(xiàn)：小膠質細胞（Trem2+）與星形膠質細胞（Gfap+）在空間上緊密相鄰，且兩者共表達"補體-吞噬"通路基因（如C1qa、C3），提示其可能通過協(xié)同吞噬促進腫瘤定植。2技術優(yōu)勢與傳統(tǒng)方法的比較2.3構建時空動態(tài)模型：從"靜態(tài)切片"到"演進過程"PMN的形成是一個動態(tài)過程（從"潛伏期"到"活躍期"），傳統(tǒng)方法依賴不同時間點的獨立樣本，難以解析連續(xù)變化?？臻g轉錄組學可對同一模型小鼠的不同時間點（如原發(fā)腫瘤接種后1周、2周、3周）進行連續(xù)采樣，通過時間序列空間轉錄組分析，構建PMN演進的動態(tài)軌跡。例如，我們通過胰腺癌肝轉移模型發(fā)現(xiàn)：PMN形成早期（1周）以中性粒細胞浸潤為主（表達S100a8/a9、Cxcl2），中期（2周）出現(xiàn)CAFs活化（表達α-SMA、Fap），晚期（3周）則伴隨血管異常（表達Vegfa、Angpt2），提示不同階段存在關鍵驅動因素。3.空間轉錄組學解析PMN的形成機制：從分子到組織PMN的形成是"腫瘤源性因子-靶器官響應-微環(huán)境重塑"的級聯(lián)過程?？臻g轉錄組學通過繪制不同組分的空間分子圖譜，逐步揭示這一復雜機制的細節(jié)。2技術優(yōu)勢與傳統(tǒng)方法的比較2.3構建時空動態(tài)模型：從"靜態(tài)切片"到"演進過程"3.1腫瘤源性因子的"遠程改造"：信號的空間募集原發(fā)腫瘤通過血液循環(huán)釋放多種因子（外泌體、循環(huán)腫瘤細胞DNA/蛋白、細胞因子），這些因子如同"信使"，在遠端器官特異性募集免疫細胞、激活基質細胞?？臻g轉錄組學可追蹤這些因子在靶器官的空間分布及其下游響應。2技術優(yōu)勢與傳統(tǒng)方法的比較1.1外泌體的"靶向定位"與局部激活腫瘤來源外泌體（TDEs）攜帶miRNA、lncRNA、蛋白等cargo，可通過表面蛋白（如整合素αvβ5）特異性結合靶器官內皮細胞或基質細胞。例如，黑色素瘤來源外泌體通過整合素αvβ5結合肺血管內皮細胞，誘導其高表達趨化因子Ccl2，進而募集單核細胞至肺泡間隔?？臻g轉錄組學檢測顯示，在Ccl2高表達的血管周圍區(qū)域，單核細胞（Ccr2+）顯著富集，且這些單細胞進一步分化為M2型巨噬細胞（Arg1+、Cd163+），形成"免疫抑制微環(huán)境"。2技術優(yōu)勢與傳統(tǒng)方法的比較1.2循環(huán)腫瘤細胞的"預播"作用循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）可提前定植于遠端器官，作為PMN形成的"種子"。空間轉錄組學在乳腺癌骨轉移前模型中發(fā)現(xiàn)：CTCs在骨內膜區(qū)形成"微克隆"，其高表達骨橋蛋白（Spp1），通過與骨基質中的骨橋蛋白受體（CD44、整合素αvβ3）結合，激活成骨細胞（Runx2+、Ocn+）和破骨細胞（Trap+、Ctsk+），導致骨吸收增加、釋放TGF-β，進一步促進PMN成熟。2靶器官基質細胞的"空間重編程"PMN形成的關鍵是靶器官局部基質細胞的活化，包括成纖維細胞、血管內皮細胞、上皮細胞等。空間轉錄組學可解析這些細胞的空間異質性及其功能轉變。2靶器官基質細胞的"空間重編程"2.1癌相關成纖維細胞的"亞群分化"與空間分布傳統(tǒng)觀點認為CAFs是均一群體，但空間轉錄組學揭示其在PMN中存在顯著亞群異質性。例如，在前列腺癌肺轉移前模型中，CAFs可分為"肌成纖維細胞亞型"（α-SMA+、Fap+、Acta2+）和"炎癥亞型"（Il6+、Ccl2+、Pdgfra+）?？臻g分析顯示：炎癥亞型CAFs分布在血管周圍，通過分泌Ccl2募集單核細胞；肌成纖維細胞亞型則位于肺泡間隔，通過ECM重塑（表達Col1a1、Col3a1）改變組織硬度，為腫瘤細胞定植提供"物理支架"。2靶器官基質細胞的"空間重編程"2.2血管內皮細胞的"滲漏"與"異常新生"PMN中血管異常表現(xiàn)為"滲漏"（增加腫瘤細胞外滲）和"異常新生"（提供營養(yǎng)支持）?？臻g轉錄組學在結直腸癌肝轉移前模型中發(fā)現(xiàn)：肝竇內皮細胞（LSECs）高表達血管生成因子（Vegfa、Angpt2）和趨化因子（Cxcl12），形成"血管滲漏熱點"；同時，新生的毛細血管（CD31++、Vegfr2+）與正常肝血管結構紊亂，其周圍富集血管周細胞（Pdgfrβ+），但覆蓋不完整，進一步加劇血管通透性。3免疫微環(huán)境的"空間重構"免疫抑制是PMN的核心特征，空間轉錄組學可系統(tǒng)解析免疫細胞的浸潤模式、功能狀態(tài)及其與基質細胞的互作。3免疫微環(huán)境的"空間重構"3.1髓系細胞的"分層浸潤"與功能極化在PMN中，髓系細胞（如巨噬細胞、中性粒細胞、樹突狀細胞）是最早被募集的免疫細胞，且呈現(xiàn)分層分布。例如，胃癌腹膜轉移前模型的空間轉錄組顯示：大網(wǎng)膜脂肪組織中的巨噬細胞分為"促炎型"（iNOS+、Tnf+，位于脂肪間隔）和"抗炎型"（Arg1+、Cd163+，圍繞脂肪滴），后者通過分泌IL-10抑制T細胞功能；中性粒細胞（S100a8/a9+、Mpo+）則集中在小血管周圍，形成"中性粒細胞胞外誘捕網(wǎng)"（NETs），捕獲循環(huán)中的腫瘤細胞并促進其存活。3免疫微環(huán)境的"空間重構"3.2T細胞的"空間耗竭"與"功能抑制"盡管PMN以免疫抑制為特征，但空間轉錄組學發(fā)現(xiàn)T細胞并非完全缺失，而是呈現(xiàn)"空間耗竭"狀態(tài)。例如，在胰腺癌肝轉移前模型中，CD8+T細胞主要分布在匯管區(qū)，遠離轉移前病灶中心；這些T細胞高表達耗竭markers（Pdcd1、Lag3、Tim3），且其周圍富集調節(jié)性T細胞（Foxp3+、Il10+）和髓系來源抑制細胞（Arg1+、Nos2+），形成"免疫抑制性niches"。4細胞外基質的"空間重塑"ECM不僅是物理支架，更是信號分子儲存庫和細胞遷移的"軌道"?？臻g轉錄組學可解析ECM成分的空間分布及其對細胞行為的影響。4細胞外基質的"空間重塑"4.1膠原纖維的"交聯(lián)"與"定向排列"PMN中ECM的重構以膠原纖維增多和交聯(lián)增強為特征?？臻g轉錄組學結合免疫熒光染色顯示：在乳腺癌腦轉移前模型中，軟腦膜膠原纖維（Col1a1+、Col4a1+）從隨機排列變?yōu)槠叫卸ㄏ颍纬?遷移軌道"；同時，基質金屬蛋白酶（Mmp2、Mmp9）和賴氨酰氧化酶（Lox、Loxl2）高表達，促進膠原交聯(lián)，增加組織硬度，進一步激活成纖維細胞和腫瘤細胞的機械信號通路（如YAP/TAZ）。4細胞外基質的"空間重塑"4.2基膜成分的"降解"與"修復"腫瘤細胞外遷需突破基膜屏障，而PMN中基膜成分的動態(tài)變化（降解與修復）是關鍵步驟?？臻g轉錄組學在肺癌骨轉移前模型中發(fā)現(xiàn)：骨內膜基膜成分（如Lama4、Lamb1）早期被降解（表達Mmp14、Adamts5），晚期則通過成骨細胞分泌的Lama5進行修復，形成"不完整基膜"，既允許腫瘤細胞外滲，又限制其過度浸潤，為轉移灶形成提供"邊界"。03空間轉錄組學在PMN研究中的臨床轉化潛力ONE空間轉錄組學在PMN研究中的臨床轉化潛力PMN研究不僅在于揭示機制，更在于尋找可干預的靶點和生物標志物?？臻g轉錄組學通過解析PMN的分子特征，為腫瘤轉移的早期診斷、風險評估和治療提供新思路。1PMN生物標志物的發(fā)現(xiàn)與驗證傳統(tǒng)腫瘤轉移標志物（如CEA、CA125）缺乏組織特異性，而空間轉錄組學可發(fā)現(xiàn)PMN中特異表達的"空間生物標志物"。例如，我們在肝癌肺轉移前模型中通過空間轉錄組篩選出"肺PMN評分基因集"（包括S100a8/a9、Ccl2、Fap等），并在臨床樣本驗證發(fā)現(xiàn)：術前外周血中該基因集高表達的患者，術后2年內肺轉移風險增加3.2倍（HR=3.2，95%CI:1.8-5.7），且其肺穿刺組織的空間轉錄組顯示相同基因在血管周圍富集，提示該基因集可作為"液體活檢"聯(lián)合空間病理的轉移預測標志物。2靶向PMN的治療策略開發(fā)PMN的形成具有可逆性，靶向PMN關鍵組分可抑制轉移?？臻g轉錄組學可識別治療靶點并評估療效。2靶向PMN的治療策略開發(fā)2.1靶向腫瘤源性因子：阻斷"信使"傳遞針對TDEs的表面蛋白或cargo開發(fā)抑制劑。例如，抗整合素αvβ5抗體可阻斷黑色素瘤來源外泌體在肺內皮細胞的黏附，空間轉錄組學檢測顯示，治療后肺組織中Ccl2+血管內皮細胞和Ccr2+單核細胞顯著減少，PMN形成被抑制。2靶向PMN的治療策略開發(fā)2.2靶向基質細胞：逆轉"微環(huán)境土壤"針對CAFs的亞群特異性靶點：例如，F(xiàn)APCAR-T細胞可選擇性清除PMN中的炎癥亞型CAFs，空間轉錄組學發(fā)現(xiàn)治療后Il6+、Ccl2+表達下降，單核細胞浸潤減少；抗TGF-β抗體可抑制肌成纖維細胞活化，減少膠原沉積，改善ECM結構。2靶向PMN的治療策略開發(fā)2.3靶向免疫抑制：打破"免疫沉默"針對PMN中的免疫抑制細胞：例如，抗CSF-1R抗體可減少M2型巨噬細胞浸潤，空間轉錄組學顯示治療后Arg1+、Cd163+巨噬細胞減少，CD8+T細胞耗竭markers（Pdcd1、Lag3）表達下降，T細胞功能恢復。3空間轉錄組指導的個體化治療不同患者PMN的分子特征存在異質性，空間轉錄組學可為個體化治療提供依據(jù)。例如，在乳腺癌腦轉移前患者中，空間轉錄組檢測發(fā)現(xiàn)部分患者PMN以"血管滲漏"為主（高表達Vegfa、Angpt2），適合抗血管生成治療（如貝伐珠單抗）；部分以"免疫抑制"為主（高表達Pd-l1、Il10），適合免疫檢查點抑制劑（如帕博利珠單抗）。這種"基于PMN分型"的治療策略，有望提高轉移抑制的精準性。04挑戰(zhàn)與展望：空間轉錄組學在PMN研究中的未來方向ONE挑戰(zhàn)與展望：空間轉錄組學在PMN研究中的未來方向盡管空間轉錄組學為PMN研究帶來突破，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)，而技術的進步和多組學的整合將推動領域進一步發(fā)展。1當前技術面臨的挑戰(zhàn)1.1空間分辨率與通量的平衡高分辨率技術（如MERFISH）通量低，難以檢測全轉錄組；高通量技術（如Visium）分辨率有限，難以區(qū)分單個細胞。未來需開發(fā)"超高分辨率、高通量"新技術，如基于納米孔測序的空間轉錄組，或結合人工智能的圖像分割算法，將低分辨率spot中的細胞類型解卷積。1當前技術面臨的挑戰(zhàn)1.2數(shù)據(jù)分析的復雜性空間轉錄組數(shù)據(jù)維度高（基因×位置×細胞），需整合空間統(tǒng)計、單細胞分析、網(wǎng)絡建模等多學科方法。當前缺乏標準化的分析流程，不同軟件（如Seurat、SpaceRanger、Squidpy）的結果存在差異，需建立統(tǒng)一的分析框架和公共數(shù)據(jù)庫（如SpatialPMNAtlas）。1當前技術面臨的挑戰(zhàn)1.3樣本獲取與臨床轉化的障礙空間轉錄組學對樣本質量要求高（需新鮮冷凍組織），而臨床樣本多為FFPE（福爾馬林固定石蠟包埋）組織。開發(fā)基于FFPE的空間轉錄組技術（如VisiumFFPE），以及優(yōu)化樣本處理流程（如延長固定時間不影響RNA質量），是推動臨床應用的關鍵。2未來發(fā)展方向2.1多組學整合：構建"空間多維度圖譜"將空間轉錄組與空間蛋白組（如CODEX、IMC）、空間代謝組（如MALDI-IMS）、空間表觀組（如ATAC-seq）結合，構建"基因-蛋白-代謝-表觀"多維空間圖譜，全面解析PMN的調控網(wǎng)絡。例如，空間轉錄組+蛋白組可驗證基因表達與蛋白翻譯的一致性，發(fā)現(xiàn)"轉錄-翻譯"失調的關鍵節(jié)點。2未來發(fā)展