本文整理自 Cancer Cell 综述《Spatial omics at the forefront: emerging technologies, analytical innovations, and clinical applications》系统梳理空间组学视角下肿瘤微环境的功能结构特征与研究范式革新。肿瘤微环境TME并非均质的细胞与分子背景而是具备高度空间组织结构的复杂生态系统。在实体瘤组织中肿瘤细胞、免疫细胞亚群、癌症相关成纤维细胞CAF、血管网络、神经纤维、代谢梯度及共生微生物等组分并非随机排布而是通过细胞间相互作用与信号调控自组装形成多种反复出现、具备稳定结构与特定生物学功能的局部微单元即空间生态位。不同生态位在细胞组成、分子信号网络、组织边界特征及临床预后价值上存在显著差异空间组学技术的突破让研究者得以在组织原位精准识别这些生态位解析其细胞组装模式、细胞通讯网络与分子调控机制为精准肿瘤学的发展提供全新的研究维度。一、肿瘤微环境中的核心功能性空间生态位1、三级淋巴结构TLS肿瘤局部抗肿瘤免疫的组织中枢三级淋巴结构tertiary lymphoid structures, TLS是当前肿瘤空间生态位中研究最为深入的结构类型。作为异位淋巴样组织TLS 可在肿瘤原位启动并维持 B 细胞介导的适应性抗肿瘤免疫其存在通常与患者更优的临床结局相关。空间组学分析进一步证实TLS 的临床价值并非仅取决于存在与否其空间位置、成熟阶段、细胞亚群构成与功能状态均会直接影响抗肿瘤效应。 在肾细胞癌中TLS 是 B 细胞原位分化为浆细胞的核心场所成熟浆细胞可沿 CXCL12 阳性成纤维细胞构成的迁移轨迹扩散至肿瘤实质在接受免疫检查点抑制剂ICI治疗的患者中肿瘤细胞表面的 IgG 沉积与恶性细胞凋亡水平、治疗应答率及总生存期呈显著正相关。在胃癌中定位于肿瘤核心区的 TLS 高度富集 CD8 T 细胞尤其是 PD-1 阳性、TIM-3 阴性的 CD8 T 细胞亚群该表型与患者更长的生存周期直接相关。在鼻咽癌中CXCL13 阳性 CAF、CXCL13 阳性 CD8 T 细胞与 TLS 内的 B 细胞聚集体存在明确共定位关系CXCL13 阳性 CAF 可促进 B 细胞黏附与抗体分泌而浆细胞产生的抗体可诱导 EBV 阳性恶性细胞凋亡。在乳腺癌中TLS 区域包含多类细胞亚群其中 CCL21 阳性与 APOD 阳性成纤维细胞亚群可通过 CXCL12-CXCR4 信号轴募集 T 细胞与 B 细胞维持 TLS 的结构与功能。 同时 TLS 并非始终具备成熟抗肿瘤功能在高级别浆液性卵巢癌中TLS 的形成与活性随解剖位置存在显著差异且可被肿瘤驯化的间充质干细胞抑制在肝细胞癌中肿瘤来源的色氨酸代谢产物会阻碍 TLS 的成熟进程。因此系统追踪 TLS 的细胞动态、成熟轨迹与功能状态明确其成熟阻滞或功能障碍的驱动因素是未来该领域的核心研究方向。2、血管周围生态位免疫细胞浸润与激活的关键枢纽血管周围生态位是围绕肿瘤血管形成的空间结构是协调局部免疫应答的核心枢纽可介导免疫细胞的组织浸润与原位激活。该生态位具备典型的分层结构树突状细胞与 T 细胞的互作簇通常分布于内皮细胞与基质细胞附近负责抗原呈递与局部 T 细胞启动巨噬细胞与调节性免疫细胞群体则分布于生态位外层边界。 CCL19/21-CCR7、CXCL12-CXCR4 等趋化因子梯度共同调控效应免疫细胞与免疫抑制细胞向局部组织的募集过程效应细胞浸润与抑制细胞积累的动态平衡直接决定该生态位是发挥抗肿瘤免疫促进作用还是介导免疫排斥效应。在胶质母细胞瘤中空间分析发现复发肿瘤的血管周围生态位形成了富含胶原的细胞外基质ECM边缘且高度富集免疫抑制性巨噬细胞、胶质细胞与产胶原基质细胞提示治疗可诱导血管周围微环境的免疫抑制性重塑。在肝细胞癌中成像质谱流式技术识别出血管周围生态位内的 VEGFA 阳性巨噬细胞该类细胞可通过 VEGFA 介导的信号与 CD34 阳性内皮细胞发生相互作用推动免疫调节性微环境的形成。3、干样 CD8 T 细胞生态位免疫治疗持久应答的功能储备库干样 CD8 T 细胞通常高表达 TCF1 与 CD28不表达 TIM-3 等终末耗竭标志物这类细胞与抗原呈递细胞紧密结合形成特化的空间生态位。在该生态位中干样 CD8 T 细胞作为具备自我更新能力的功能储备池可维持自身增殖潜能并通过不对称分裂持续补充效应 T 细胞池同时保留干样亚群的稳态这一过程是维持长期抗肿瘤免疫应答的核心基础。 干样 CD8 T 细胞的稳态维持依赖表观遗传重编程、CXCR6 表达上调以及与经典树突状细胞的相互作用相关调控信号包括 CXCL9、IL-15、CCL19 与 CCL21 等。这类生态位的存在与免疫检查点阻断治疗的应答效果密切相关其缺失则可能推动肿瘤免疫逃逸。在临床前模型中通过 FLT3L 或 CD40 通路激活树突状细胞可有效扩增该类生态位提示其可作为增强免疫检查点治疗疗效的联合干预靶点。4、CAF 相关生态位基质调控免疫与治疗应答的核心介质癌症相关成纤维细胞cancer-associated fibroblasts, CAF具备高度异质性在细胞来源、表型状态与生物学功能上存在显著差异同时具有极强的可塑性与组织背景依赖性。空间组学分析证实CAF 可形成结构与功能各不相同的空间生态位直接塑造局部免疫微环境特征与肿瘤治疗应答。 在多数实体瘤中基质生成型 CAF 可形成致密的富含胶原的 ECM 屏障阻碍 T 细胞向肿瘤实质浸润并接触肿瘤细胞最终导致免疫排斥炎症型 CAF 可分泌 CXCL12、IL-6、TGF-β 等免疫调节性细胞因子与趋化因子调控免疫细胞的募集、极化与功能抗原呈递型 CAF 则可向 T 细胞呈递抗原参与介导抗肿瘤免疫应答。 传统研究多先通过分子标志物定义 CAF 表型再分析其空间分布特征该策略受限于基因覆盖度与抗体可用性。近期泛癌空间多组学研究采用全新策略基于 CAF 的邻近细胞组成定义其组织模式在多个癌种中鉴定出 s1-s4 共 4 种保守的 CAF 空间模式。不同 CAF 生态位具备差异化的细胞间通讯网络证实 CAF 的功能不仅由自身表型状态决定也受其周围细胞组成与微环境互作的共同调控。5、肿瘤侵袭前沿肿瘤进展与转移的动态交互界面肿瘤侵袭前沿是恶性细胞与基质、免疫组分发生动态相互作用的界面区域是驱动癌症进展与转移的关键结构。空间分析显示侵袭前沿具备独特的细胞组成与信号梯度该区域通常高度富集肿瘤相关巨噬细胞、调节性 T 细胞与中性粒细胞形成典型的免疫抑制性微环境。 定位于侵袭前沿的肿瘤细胞常发生表型重编程呈现出干样特征、缺氧适应或治疗耐受表型这些变化通常伴随局部免疫景观的重塑是肿瘤细胞为逃避免疫监视产生的局部适应性改变。此外侵袭前沿的肿瘤细胞常出现免疫检查点分子上调、抗原呈递机制下调、迁移与侵袭程序增强等特征这些表型在多种实体瘤中均与患者不良预后、免疫治疗抵抗显著相关。6、免疫排斥生态位T 细胞浸润障碍的典型空间模式免疫排斥生态位是一类特征明确的空间结构模式淋巴细胞尤其是细胞毒性 T 细胞大量聚集于肿瘤边缘或基质区域但无法有效浸润进入肿瘤实质。该空间结构与免疫检查点阻断治疗的低应答率直接相关。 空间组学分析证实免疫排斥生态位通常被致密的基质屏障包裹且高度富集免疫抑制性髓系细胞共同形成不利于淋巴细胞迁移的微环境。驱动免疫排斥的核心因素包括CAF 沉积的致密 ECM 形成物理屏障CXCL12-CXCR4 等趋化因子梯度对淋巴细胞产生错误引导或直接排斥作用TGF-β 等免疫抑制性细胞因子的持续信号作用CD47-THBS1 等抑制性互作进一步强化排斥状态。靶向上述调控节点的干预策略已展现出临床价值例如阻断 TGF-β 可有效增强 T 细胞浸润提升免疫排斥型肿瘤对免疫检查点阻断治疗的敏感性。7、缺氧生态位代谢压力介导免疫抑制与治疗耐药的特殊区域缺氧生态位是肿瘤内具备独特代谢特征的功能区域氧气供应受限会驱动局部组织结构重塑诱导恶性细胞与基质细胞发生表型重编程。这类生态位通常高度富集侵袭性肿瘤细胞与免疫抑制性 TME 细胞亚群。 在胶质母细胞瘤中空间分析揭示了围绕缺氧生态位的有序分层结构直观反映了不同组织区域对氧浓度梯度的适应性改变缺氧区域常富集兼具促炎与免疫抑制表型的肿瘤相关巨噬细胞而小胶质细胞则更多分布于氧合正常的区域。在肝细胞癌中缺氧状态与 SPP1 阳性肿瘤相关巨噬细胞的诱导分化直接相关这类巨噬细胞与 CAF 存在共定位关系共同驱动免疫排斥表型。此外缺氧还可诱导静息状态的肿瘤细胞激活干性与化疗耐受程序也可推动中性粒细胞向促肿瘤表型重编程。8、神经免疫生态位神经信号调控肿瘤微环境的功能界面神经成分正被重新认知为 TME 的主动调控组分神经递质、神经肽与轴突 - 胶质信号均可调控局部免疫功能。空间组学鉴定出特化的神经免疫生态位在该结构中神经信号对免疫功能的调控具有双向性可支持抗肿瘤免疫也可介导免疫抑制具体效应取决于组织背景。 在胶质母细胞瘤中髓鞘损伤产生的脂质碎片可作用于 TREM2 阳性肿瘤相关巨噬细胞调控其激活状态。在胰腺导管腺癌中未被肿瘤侵犯的神经通常与淋巴样聚集体或 TLS 相关而被侵犯的神经周围则聚集 NLRP3 阳性肿瘤相关巨噬细胞与肌成纤维细胞样 CAFmyCAF提示不同类型的神经免疫互作可共同塑造局部免疫景观与神经侵犯进程。三维空间多组学技术有望提供神经免疫互作的原位全景视图完整捕捉其空间组织模式并关联功能结局与治疗靶点。9、微生物驻留生态位肿瘤内菌群的空间分布与功能调控空间多组学技术可实现高分辨率的菌群物种定位与定量解析其与肿瘤细胞、TME 细胞的相互作用模式帮助研究者明确肿瘤内微生物对癌细胞表型、代谢的调控作用以及对局部微环境、抗肿瘤免疫的调节机制最终明确其对癌症进展与治疗应答的影响。 肿瘤内微生物的原位检测可通过探针法实现包括 HiPR-FISH、par-seqFISH 等技术可在单细胞甚至亚细胞水平可视化微生物类群包括胞内寄生细菌也可通过空间宏转录组技术在同一张组织切片中同时分析微生物与宿主的转录组特征。有研究将细菌转录本捕获整合至 Visium 技术流程中证实肿瘤内微生物分布存在高度异质性且细菌富集的生态位呈现出强免疫抑制特征。 在肺癌中搭载微生物 spike-in 探针的 GeoMx DSP 平台检测显示肿瘤细胞内的细菌负荷高于 TME 或癌旁正常组织肿瘤内部的细菌负荷与 Wnt-β-catenin 等致癌通路的激活显著相关。具核梭杆菌Fusobacterium驻留的生态位与癌细胞静息状态、化疗耐受表型直接相关。同时微生物的功能效应存在物种特异性例如嗜黏蛋白阿克曼菌Akkermansia muciniphila可通过调控谷氨酸代谢发挥抗肿瘤作用。随着 Xenium、CosMx 等平台逐步整合微生物特异性探针微生物组 - 肿瘤、微生物组 - TME 的互作机制将得到更系统的解析。