揭示腫瘤在2D與3D空間中的進(jìn)化策略和微環(huán)境互動(dòng)

團(tuán)隊(duì)通過共同注冊(cè)來自16個(gè)樣本的48個(gè)連續(xù)ST切片來重建3D腫瘤結(jié)構(gòu)，這提供了對(duì)腫瘤空間組織和異質(zhì)性的見解。此外，使用無監(jiān)督深度學(xué)習(xí)算法并整合ST和CODEX數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)確定了3D亞克隆周圍的免疫熱鄰域和冷鄰域，并增強(qiáng)了免疫耗竭標(biāo)志物。這些發(fā)現(xiàn)通過與2D和3D空間中局部微環(huán)境的相互作用，有助于理解空間腫瘤進(jìn)化，為腫瘤生物學(xué)提供有價(jià)值的見解。

關(guān)于腫瘤克隆進(jìn)化

 01 

難治性亞克隆通常出現(xiàn)在癌癥中，腫瘤微環(huán)境（TME）可以通過多種機(jī)制，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)耐藥性。ST數(shù)據(jù)已與其他數(shù)據(jù)類型集成，以檢查精細(xì)克隆結(jié)構(gòu)并識(shí)別細(xì)胞間相互作用（CCI）與微環(huán)境。CODEX多重成像可以通過空間定位蛋白質(zhì)，來進(jìn)一步補(bǔ)充ST方法。

克隆進(jìn)化仍然是癌癥棘手的問題之一。腫瘤通過突變積累和基于適應(yīng)度的選擇，對(duì)環(huán)境和治療刺激的空間和時(shí)間適應(yīng)。以前的研究集中在通過突變推斷進(jìn)化歷史，但新技術(shù)已經(jīng)使對(duì)空間克隆動(dòng)力學(xué)的研究，有了更深入的了解。

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)報(bào)告了6種不同癌癥中131個(gè)腫瘤ST切片的綜合特征：乳腺癌（BRCA）、結(jié)直腸癌（CRC）、胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）、腎細(xì)胞癌（RCC）、子宮體子宮內(nèi)膜癌（UCEC）和膽管癌（CHOL）。團(tuán)隊(duì)證明，在這些微區(qū)域內(nèi)存在具有不同的基因克隆，它們有特異性拷貝數(shù)變異（CNV）并且在致癌途徑（尤其是MYC途徑）中具有不同的活性。免疫-腫瘤和基質(zhì)-腫瘤相互作用，在這些腫瘤區(qū)域之間有所不同。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性腫瘤之間的不同特征，包括腫瘤生長(zhǎng)模式和轉(zhuǎn)錄譜的差異。研究結(jié)果證實(shí)了3D空間內(nèi)不同切片中亞克隆和微區(qū)域的連通性。這些重建突出了腫瘤-免疫間期生態(tài)位和相互作用。

克隆特異性腫瘤-TME相互作用

 02 

在非腫瘤細(xì)胞類型（成纖維細(xì)胞中的POSTN、FN1和TIMP1，以及巨噬細(xì)胞中的IFI30）中，頂部邊界基因在整個(gè)隊(duì)列中具有較高的表達(dá)，這表明腫瘤和非腫瘤細(xì)胞在邊界處存在相互作用。邊界區(qū)共享多的CCI是細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）受體（膠原蛋白、層粘連蛋白、FN1和THBS）、分泌信號(hào)（SEMA3、SEMA4、ncWNT和MK）和細(xì)胞間粘附（EPHB和NOTCH）。例如，在CRC、PDAC和BRCA樣本中觀察到MK通路，其中信號(hào)從惡性細(xì)胞區(qū)域傳遞到TME界面。該途徑包括配體MDK與受體NCL和SDC4之間的相互作用。惡性細(xì)胞分泌MDK，以產(chǎn)生免疫抑制和血管生成環(huán)境，這反過來又促進(jìn)了腫瘤生長(zhǎng)。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了信號(hào)從TME向惡性細(xì)胞區(qū)域移動(dòng)的ECM通路。THBS通路是主要相互作用之一，描述了ECM成分THBS1-THBS4（編碼血小板反應(yīng)蛋白）與細(xì)胞表面受體CD36和CD47的結(jié)合，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞粘附、增殖和血管生成。腫瘤相關(guān)免疫細(xì)胞、基因和CCI在200μm寬邊界區(qū)域內(nèi)的富集，說明了惡性細(xì)胞與其環(huán)境之間的交流，這在空間不可知的技術(shù)中是不可見的。

空間腫瘤微區(qū)域內(nèi)的免疫和基質(zhì)浸潤(rùn)。

3D腫瘤結(jié)構(gòu)和TME相互作用

 03 

主要BRCA樣本HT397B1具有TME腫瘤形態(tài)的兩個(gè)主要區(qū)域：一個(gè)免疫寒冷區(qū)，具有包含克隆1和2的DCIS和IDC形態(tài)，以及一個(gè)包含克隆3的免疫熱IDC區(qū)域。與克隆1和2的鄰域相比，與克隆3相關(guān)的鄰域具有較高的T細(xì)胞比例和較低的成纖維細(xì)胞比例。ROI 1的巨噬細(xì)胞、T 細(xì)胞和B細(xì)胞的比例較低，而ROI 2的這些細(xì)胞類型的水平要高得多。這些趨勢(shì)在CODEX切片中也很明顯，其中免疫標(biāo)志物在ROI 2中更強(qiáng)烈。此外，ROI 1顯示成纖維細(xì)胞分?jǐn)?shù)增加，平滑肌肌動(dòng)蛋白（SMA）在腫瘤區(qū)域周圍的肌上皮中高度表達(dá)，這是DCIS的標(biāo)志。研究結(jié)果表明，這些細(xì)胞類型關(guān)聯(lián)，以及DCIS和IDC樣亞克隆在3個(gè)維度上是一致的，基于計(jì)算出的3D腫瘤體積周圍的細(xì)胞類型密度，以及免疫、基質(zhì)和上皮體積的產(chǎn)生。這些分析表明，3D重建為研究異質(zhì)性腫瘤微環(huán)境，提供了更高的靈敏度。

微區(qū)域邊界區(qū)域中的tumour-TME相互作用，表現(xiàn)出異質(zhì)性。

總結(jié)

 04 

1. TME暴露作為變異性的第二個(gè)驅(qū)動(dòng)因素：變異性的第二個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因素是腫瘤微環(huán)境（TME）的暴露，研究觀察到與微區(qū)域邊緣癌細(xì)胞深度相關(guān)的不同轉(zhuǎn)錄模式，以及與TME免疫細(xì)胞相鄰的邊緣細(xì)胞中的特異性富集基因表達(dá)。

2. 腫瘤微區(qū)之間的基因組和轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性：團(tuán)隊(duì)觀察到多個(gè)樣本中腫瘤微區(qū)之間的基因組和轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性，這種變異性部分是由于將拷貝數(shù)事件映射到空間轉(zhuǎn)錄（ST）區(qū)域來解釋的。

3. 亞克隆進(jìn)化與治療耐藥性：亞克隆進(jìn)化是治療耐藥性的主要驅(qū)動(dòng)因素，耐藥亞克隆的出現(xiàn)通常會(huì)導(dǎo)致治療失敗。

4. 實(shí)體瘤中空間不同的腫瘤亞克隆的結(jié)構(gòu)和分布：團(tuán)隊(duì)表征了多個(gè)實(shí)體瘤中空間不同的腫瘤亞克隆的結(jié)構(gòu)和分布，并通過擾動(dòng)基因集重疊分析，表明它們可以對(duì)相同化合物表現(xiàn)出不同的反應(yīng)。

5. 3D數(shù)據(jù)分析的前景：預(yù)計(jì)3D數(shù)據(jù)分析將迅速在癌癥研究中更廣泛地建立起來，技術(shù)進(jìn)步將促進(jìn)更深入的分析，并將進(jìn)一步增強(qiáng)未來的腫瘤研究。