文章信息

• 發(fā)表雜志 Cancer Cell
• 中文標(biāo)題 單細(xì)胞空間多組學(xué)揭示癌相關(guān)成纖維細(xì)胞的保守空間亞型與細(xì)胞鄰域
• 英文標(biāo)題 Conserved spatial subtypes and cellular neighborhoods of cancer-associated fibroblasts revealed by single-cell spatial multi-omics
• 影響因子 44.5
• 發(fā)表日期 2025-05-12

研究概述

本研究整合癌相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAF）空間單細(xì)胞多組學(xué)數(shù)據(jù)，分析來(lái)自10種癌種、7種空間平臺(tái)、超過(guò)1,400萬(wàn)細(xì)胞的組織切片，系統(tǒng)描繪CAF的空間亞型及其鄰域結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)首先在CosMx和MERSCOPE平臺(tái)的探索隊(duì)列中通過(guò)鄰域向量+NMF算法鑒定出四類保守的空間CAF亞型（s1–s4），隨后在Visium、Xenium、COMET、CODEX與IMC等平臺(tái)多重驗(yàn)證，并將其與腫瘤微環(huán)境（TME）結(jié)構(gòu)、免疫浸潤(rùn)和臨床結(jié)局關(guān)聯(lián)。研究強(qiáng)調(diào)CAF空間組織對(duì)調(diào)控免疫生態(tài)、腫瘤細(xì)胞狀態(tài)及患者生存的重要性，為靶向CAF提供更具空間分辨率的思路。

核心發(fā)現(xiàn)

1. 構(gòu)建了跨平臺(tái)、跨癌種均適用的CAF鄰域分型算法，穩(wěn)定識(shí)別四個(gè)保守空間亞型。
2. 揭示不同空間CAF亞型特定的配體-受體網(wǎng)絡(luò)、免疫細(xì)胞狀態(tài)分布與腫瘤浸潤(rùn)模式。
3. 多平臺(tái)驗(yàn)證顯示s1/s4-CAF比例與T細(xì)胞免疫、TLS形成及患者生存顯著相關(guān)，可作為潛在預(yù)后生物標(biāo)志物。

Figure 1：四種CAF空間亞型及其轉(zhuǎn)錄特征

研究目標(biāo)

明確CosMx NSCLC樣本中CAF的空間組織、鄰域構(gòu)成與轉(zhuǎn)錄特征，探索是否存在可復(fù)現(xiàn)的空間亞型。

方法與目的

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

為什么進(jìn)行這個(gè)分析？ CAF塑造腫瘤免疫生態(tài)但空間組織尚不清楚，需在具備細(xì)胞級(jí)空間解析度的CosMx平臺(tái)上建立空間亞型框架，為后續(xù)跨平臺(tái)擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

1. s1-CAF靠近腫瘤細(xì)胞（Fig. 1B）：鄰居中44.8%為癌細(xì)胞，富集COL1A1、ACTA2、TAGLN、MMP14及TGFB1，呈現(xiàn)典型肌成纖維型（myCAF）特征。
2. s2-CAF位于致密間質(zhì)（Fig. 1B）：鄰近細(xì)胞33.9%為間質(zhì)/內(nèi)皮，低ACTA2但高LIF、IL6，體現(xiàn)炎癥型免疫抑制特征。
3. s3-CAF偏向髓系富集區(qū)（Fig. 1B）：35.9%鄰居為髓系細(xì)胞，表達(dá)PDGFRA/B、CXCL14、CFD及抗原呈遞分子，兼具iCAF與apCAF部分特征。
4. s4-CAF共定位于TLS（Fig. 1B）：56.5%鄰居為T/B細(xì)胞，STAT3、CCL19/21、CD74等高表達(dá)，更接近apCAF并具免疫啟動(dòng)潛力。

邏輯解讀

→ 空間鄰域驅(qū)動(dòng)CAF分化成四類組織態(tài) → 各亞型擁有特異分子程序與相鄰細(xì)胞組合 → 這些空間-分子特征為后續(xù)跨癌種驗(yàn)證提供參照。

Figure 2：CAF鄰域的配體-受體網(wǎng)絡(luò)與免疫狀態(tài)

研究目標(biāo)

解析各CAF亞型與鄰近免疫/基質(zhì)細(xì)胞的通訊模式，并描繪T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、B/漿細(xì)胞在不同鄰域中的狀態(tài)差異。

方法與目的

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

為什么進(jìn)行這個(gè)分析？ 不同CAF亞型或通過(guò)配體-受體信號(hào)塑造特定免疫生態(tài)，厘清這些通信網(wǎng)絡(luò)是理解TME功能異質(zhì)性的關(guān)鍵。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

1. s1-CAF驅(qū)動(dòng)腫瘤免疫排斥（Fig. 2A-B）：與癌細(xì)胞通過(guò)COL/ITG、THBS1-CD47、TGFB1-TGFBR1等軸交互，富集CD4 Treg、CD8 Tex與高GNLY/PRF1的CD8 Teff，提示形成免疫抑/激并存的排斥層。
2. s2-CAF溝通血管與T細(xì)胞（Fig. 2A）：借助FN1/膠原-整合素及CD55-ADGRE5信號(hào)與內(nèi)皮、浸潤(rùn)T細(xì)胞互動(dòng)，可能調(diào)控細(xì)胞遷移與血管生態(tài)。
3. s3-CAF與髓系細(xì)胞密切互作（Fig. 2A-C）：RARRES2-CMKLR1、GAS6-MERTK、DLL1-NOTCH3、LGALS9-MRC2等通路強(qiáng)化免疫抑制型巨噬細(xì)胞；CXCL12-CXCR4、APP-CD74驅(qū)動(dòng)中性粒細(xì)胞響應(yīng)。
4. s4-CAF維護(hù)TLS生態(tài)（Fig. 2A-D）：CCL19/21-CCR7、VCAN-SELL、AXL-IL15RA、JAG1-NOTCH2/3等信號(hào)吸引并支持B、T及漿細(xì)胞，TLS外層出現(xiàn)CAF-漿細(xì)胞共定位。

邏輯解讀

→ CAF亞型通過(guò)特定配體-受體組合界定“功能鄰域” → 鄰域內(nèi)免疫細(xì)胞呈現(xiàn)相匹配的激活/抑制狀態(tài) → 這些局部網(wǎng)絡(luò)可解釋腫瘤免疫異質(zhì)性與療效差異。

Figure 3：MERSCOPE與Visium驗(yàn)證的CAF空間亞型

研究目標(biāo)

評(píng)估四種CAF空間亞型在多癌種MERSCOPE數(shù)據(jù)中的保守性，并驗(yàn)證其在Visium spot級(jí)數(shù)據(jù)中的適用性。

方法與目的

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

為什么進(jìn)行這個(gè)分析？ 若CAF空間亞型在不同癌種與技術(shù)中穩(wěn)定存在，才能支撐后續(xù)泛癌比較與臨床推廣。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

1. 四亞型在MERSCOPE中重復(fù)出現(xiàn)（Fig. 3A-B）：跨8癌種均能檢測(cè)到s1–s4，鄰域構(gòu)成與CosMx高度一致；相關(guān)性聚類顯示亞型相似性獨(dú)立于平臺(tái)和組織來(lái)源。
2. 分子特征跨平臺(tái)一致（Fig. 3C）：s1-CAF富ACTA2/TGFB1/MYH11，s2-CAF具COL11A1/FAP/PDPN、最高IL6，s3-CAF富PDGFRB/CXCL1/CCL8/C1QC，s4-CAF高HLA-II、IDO1與CXCL9。
3. Visium亦可重建亞型空間（Fig. 3D-E）：通過(guò)CAF富集spot及鄰域聚類，在LUAD檢測(cè)到四亞型，在PDAC重現(xiàn)s1、s3型，且iStar推斷的CAF-癌細(xì)胞/髓系/TLS共定位與手工病理一致。

邏輯解讀

→ 鄰域向量方法具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性 → 四類CAF亞型實(shí)為跨癌保守的空間組織模式 → 該框架可支持更低分辨率數(shù)據(jù)的亞型重建與病理對(duì)照。

Figure 4：泛癌CAF頻率及其與T細(xì)胞浸潤(rùn)的關(guān)聯(lián)

研究目標(biāo)

量化各CAF亞型在不同癌種的豐度，評(píng)估其與腫瘤床（tumor bed）、邊緣（margin）、遠(yuǎn)離區(qū)（distant）的T細(xì)胞浸潤(rùn)和免疫狀態(tài)關(guān)系。

方法與目的

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

為什么進(jìn)行這個(gè)分析？ 確認(rèn)CAF亞型在真實(shí)腫瘤結(jié)構(gòu)中的普遍性，并判定其是否影響T細(xì)胞進(jìn)入腫瘤床，對(duì)理解免疫排斥至關(guān)重要。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

1. s2-CAF最常見(jiàn)（Fig. 4A）：24個(gè)切片均檢測(cè)到s2，s4次之（88%），s1出現(xiàn)于79%切片，s3僅在38%（多見(jiàn)于肺、肝、結(jié)直腸）。
2. 組織結(jié)構(gòu)影響亞型觀察（Fig. 4A）：同一腫瘤不同切片（如Lung 9）因腫瘤/間質(zhì)布置差異導(dǎo)致s1是否顯現(xiàn)，提示空間亞型與宏觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。
3. s1-CAF抑制T細(xì)胞入腫瘤床（Fig. 4C-D）：s1比例高的樣本在tumor bed與margin區(qū)域T細(xì)胞密度降低，但在distant區(qū)T細(xì)胞比例相對(duì)升高。
4. 亞型與免疫狀態(tài)的相關(guān)性（Fig. 4E）：s1與多數(shù)T細(xì)胞及免疫群在bed/margin呈負(fù)相關(guān)；s3在distant區(qū)域與多種T細(xì)胞呈正相關(guān)；s4在bed/margin與多種免疫狀態(tài)正相關(guān)。

邏輯解讀

→ CAF亞型頻率受腫瘤結(jié)構(gòu)調(diào)控 → 不同亞型在不同空間區(qū)間與免疫生態(tài)呈正/負(fù)耦合 → 這些耦合可能決定腫瘤床免疫可及性。

Figure 5：Xenium 5K驗(yàn)證及CAF-腫瘤細(xì)胞互作

研究目標(biāo)

在Xenium 5K高通量面板中驗(yàn)證CAF空間亞型，并解析s1-CAF鄰域?qū)δ[瘤細(xì)胞狀態(tài)與免疫逃逸信號(hào)的影響。

方法與目的

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

為什么進(jìn)行這個(gè)分析？ Xenium數(shù)據(jù)具更豐富腫瘤信號(hào)通路信息，可用于從腫瘤端驗(yàn)證CAF鄰域的功能后果。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

1. 四亞型在多癌種均可識(shí)別（Fig. 5A）：盡管缺少部分CAF標(biāo)記，Xenium 5K仍可基于鄰域構(gòu)成分辨s1–s4，證實(shí)方法對(duì)基因面板要求低。
2. 腫瘤細(xì)胞存在三類狀態(tài)（Fig. 5B-C）：State1富集在s1-CAF鄰域、T細(xì)胞稀少區(qū)域；State2位于T細(xì)胞高浸潤(rùn)區(qū)域；State3集中于腫瘤高聚集且CAF/T細(xì)胞低的區(qū)域。
3. s1-CAF鄰域富免疫逃逸信號(hào)（Fig. 5E-G）：State1腫瘤高表達(dá)CD47、CD44、CCL28、NT5E；靠近s1-CAF的腫瘤普遍上調(diào)CD47、PDCD1LG2、CXCL12、IFI35等基因。
4. THBS1-CD47軸最活躍（Fig. 5H）：s1-CAF與腫瘤細(xì)胞之間THBS1-CD47通信概率最高，CXCL12-CXCR4次之，指向CAF驅(qū)動(dòng)的免疫排斥機(jī)制。

邏輯解讀

→ 即便在不同面板，CAF空間亞型仍穩(wěn)定 → s1-CAF與特定腫瘤狀態(tài)空間共存 → CAF-腫瘤的THBS1-CD47等信號(hào)可能促成免疫逃逸與T細(xì)胞缺席。

Figure 6：COMET seqIF確認(rèn)CAF亞型的形態(tài)特征

研究目標(biāo)

利用高通量seqIF（COMET）在LUAD與PDAC中直觀驗(yàn)證四類CAF的形態(tài)位置及與鄰域細(xì)胞的空間關(guān)系。

方法與目的

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

為什么進(jìn)行這個(gè)分析？ 需要從蛋白與形態(tài)層面驗(yàn)證基于轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)推斷的CAF亞型，并評(píng)估其在傳統(tǒng)病理中的可識(shí)別性。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

1. 四亞型在蛋白層面可辨識(shí)（Fig. 6A-E）：s1圍繞腫瘤床呈圍欄狀分布，s2高FAP、位于深部間質(zhì)并伴免疫細(xì)胞，s3散布在髓系富集區(qū)且PDGFRB高表達(dá)，s4與B/T聚集、TLS緊密交織。
2. 亞型彼此可鄰接常見(jiàn)s1與s2或s1與s4在同一區(qū)域相鄰，提示CAF亞型形成復(fù)雜的空間拼圖。

邏輯解讀

→ COMET驗(yàn)證了轉(zhuǎn)錄推斷并賦予形態(tài)語(yǔ)境 → 傳統(tǒng)病理可借助特定標(biāo)記識(shí)別這些空間亞型，為臨床轉(zhuǎn)化打下基礎(chǔ)。

Figure 7：CODEX與IMC揭示臨床關(guān)聯(lián)

研究目標(biāo)

在擁有臨床隨訪的CODEX CRC與IMC NSCLC隊(duì)列中評(píng)估CAF空間亞型的免疫特征與預(yù)后價(jià)值。

方法與目的

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

為什么進(jìn)行這個(gè)分析？ 若CAF空間亞型能預(yù)測(cè)免疫結(jié)構(gòu)和患者結(jié)局，便可轉(zhuǎn)化為可操作的臨床指標(biāo)。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

1. s4-CAF與TLS共現(xiàn)并改善CRC生存（Fig. 7D-E）：CLR組s4占比9%（DII為2%），s1較低；高s4顯著關(guān)聯(lián)更長(zhǎng)生存（p=0.018），高s1呈縮短趨勢(shì)，低s1+高s4組合預(yù)后最佳。
2. IMC重構(gòu)四亞型并與分子CAF映射（Fig. 7F-H）：s1與mCAF/SMA CAF重疊，s2與PDPN/collagen/tCAF匹配，s3對(duì)應(yīng)iCAF/hypoxic CAF，s4對(duì)應(yīng)分裂型/干擾素型/vCAF，證實(shí)空間-分子亞型互補(bǔ)。
3. 亞型組成反映組織學(xué)差異（Fig. 7I-K）：LUAD與LUSC的s1/s3占比不同；各亞型鄰域的T細(xì)胞狀態(tài)存在系統(tǒng)性差異；病理分期越高，s1比例上升、s4下降。
4. 預(yù)后關(guān)聯(lián) (Fig. 7L-N)：s3（尤其LUSC）和s4（NSCLC整體）比例高與更長(zhǎng)生存相關(guān)；基于亞型構(gòu)成的G1–G4分組顯示s1主導(dǎo)的G1生存最短，s4富集的G4最佳。

邏輯解讀

→ CAF空間亞型可映射到免疫結(jié)構(gòu)（TLS）與既有分子分型 → 其定量比值預(yù)測(cè)患者生存 → 提供潛在的CAF空間生物標(biāo)志物。

研究總結(jié)

本研究通過(guò)單細(xì)胞空間多組學(xué)整合與鄰域向量算法，系統(tǒng)解析了腫瘤微環(huán)境（TME）內(nèi)CAF的空間組織，揭示四種保守亞型及其與免疫細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞的互作模式，提出CAF空間構(gòu)型與免疫浸潤(rùn)、臨床預(yù)后之間的關(guān)聯(lián)。

核心創(chuàng)新點(diǎn)

1. 鄰域向量+NMF框架

• 不依賴經(jīng)典標(biāo)記即可在多平臺(tái)重建CAF空間亞型，適配從CosMx到Visium/COMET/IMC的多尺度數(shù)據(jù)。

3. 跨癌多平臺(tái)驗(yàn)證

• 結(jié)合轉(zhuǎn)錄、蛋白空間組學(xué)與臨床隊(duì)列，證明s1–s4亞型在不同癌種、采樣策略與技術(shù)條件下的保守性及臨床意義。

臨床意義

1. 早期診斷標(biāo)志物 基于s1/s4比例可輔助判斷腫瘤床免疫可達(dá)性與TLS形成潛力。
2. 治療靶點(diǎn) s1-CAF與THBS1-CD47、CXCL12-CXCR4等軸提示可聯(lián)合阻斷CAF-腫瘤免疫逃逸通路。
3. 治療策略 CAF空間構(gòu)型可作為免疫治療或CAF靶向方案（如FAP或TGF-β抑制）的分層依據(jù)。

研究局限與展望

1. 面板基因/蛋白覆蓋受限，部分關(guān)鍵CAF標(biāo)記（如FAP、CD74、ACTA2等）在不同平臺(tái)缺失，限制了亞型的全面分子刻畫。
2. 需要更大樣本與縱向隊(duì)列以監(jiān)測(cè)治療過(guò)程中CAF空間亞型的動(dòng)態(tài)變化并驗(yàn)證其作為預(yù)測(cè)/監(jiān)測(cè)指標(biāo)的可行性。

未來(lái)可結(jié)合全轉(zhuǎn)錄覆蓋空間組學(xué)與功能實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，解析CAF空間亞型在免疫治療反應(yīng)、轉(zhuǎn)移及復(fù)發(fā)中的動(dòng)態(tài)演化，并開發(fā)可在病理及影像層面實(shí)施的空間診斷方案。