肿瘤相关巨噬细胞及其与肿瘤微环境互作的空间单细胞图谱研究

《Cell Discovery》：Spatial single-cell landscape of tumor-associated macrophages and their crosstalk with the tumor microenvironment

　　

研究人员整合了涵盖16种癌症类型共291例人类样本的单细胞转录组（scRNA-seq）与空间转录组（ST）数据，系统构建了包含28个肿瘤相关巨噬细胞（TAM）亚型的泛癌图谱，阐明了各亚型在肿瘤微环境中的生物学特征、空间分布模式及其与肿瘤进展密切相关的互作机制。研究发现，定位于瘤周或瘤核区域的TAM参与血管生成及代谢重编程，从而促进肿瘤进一步发展；TAM通过滞留CD8+T细胞可诱导局部炎症并形成免疫抑制微环境；此外，癌症相关成纤维细胞（CAF）在TAM的极化、存活、招募及活化中发挥关键作用，TAM可通过分泌磷酸化蛋白1（SPP1）并与CAF中整合素家族/CD44轴相互作用促进肿瘤侵袭、转移及免疫逃逸。该研究深化了对TAM生物学特性的认知，并为靶向特定TAM亚群的癌症治疗策略提供了新的理论基础与潜在靶点。

研究背景与意义

传统上，巨噬细胞被二分为“经典激活”（M1）与“替代激活”（M2）亚型，但该分类边界模糊且具有局限性，难以全面反映肿瘤相关巨噬细胞（TAM）的高度异质性。既往研究多聚焦于TAM自身特征，而忽略了其与肿瘤微环境（TME）其他组分间的复杂互作，而这些互作可能是识别肿瘤关键治疗策略的重要途径。随着单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术的发展，研究者虽已揭示多种癌症中TAM的生物学特性，但scRNA-seq在组织解离过程中会丢失空间信息，阻碍了对TAM与其他TME组分互作的深入探索。空间转录组（ST）技术的出现弥补了这一缺陷，使在全转录组层面保留组织空间背景成为可能。因此，整合scRNA-seq与ST数据，系统解析TAM的异质性、空间分布及细胞间通讯，对理解肿瘤进展机制并开发新型免疫治疗策略具有重要意义。该研究成果发表于《Cell Discovery》。

主要技术方法与样本队列

研究人员收集了来自基因表达综合数据库（GEO）、综合空间转录组资源库（CROST）、癌症基因组图谱（TCGA）、基因型-组织表达数据库（GTEx）及cBio癌症基因组学门户（cBioPortal）的公开数据集，涵盖16种人类癌症类型的原发肿瘤组织及配对癌旁或健康组织。具体包括212例scRNA-seq样本（127例肿瘤、79例癌旁/健康）、79例ST切片及11,420例bulk RNA-seq样本。所有数据均来自10x Genomics及10x Visium平台，经严格质量控制后，采用Harmony算法校正批次效应，使用Seurat进行细胞聚类和注释，并通过CopyKAT推断恶性细胞。利用CellChat、NicheNet等工具分析细胞间通讯，采用CellTrek将单细胞数据映射至空间坐标，结合Monocle构建发育轨迹，并通过ssGSEA、xCell等进行富集分析与细胞比例推断，最后通过生存分析和相关性分析评估临床意义。

研究结果

构建泛癌肿瘤微环境转录组图谱

研究人员成功整合了16种癌症的单细胞与空间转录组数据，鉴定出17种主要细胞类型，并通过CopyKAT区分恶性与非恶性细胞。细胞通讯分析显示，肿瘤组织中巨噬细胞与其他TME组分的互作强度显著高于癌旁/健康组织，其中成纤维细胞与巨噬细胞的互作最强。功能富集分析表明，肿瘤组织中的巨噬细胞广泛富集于补体激活、干扰素反应、炎症通路及吞噬、抗原呈递等免疫过程，同时亦富集mTORC1信号、KRAS信号、TNFα-NF-κB信号及缺氧反应等通路。

构建并表征大规模泛癌TAM单细胞转录组图谱

从16种癌症的scRNA-seq数据中，研究人员共鉴定出28个TAM亚型，其中21个为泛癌亚型，4个为共享亚型，3个为组织特异性亚型。这些亚型具有不同的分子特征与功能倾向，如高表达GPNMB的亚型与肿瘤干细胞形成及转移相关，高表达SPP1的亚型具有促肿瘤特性，而高表达FOLR2的亚型则与CD8⁺T细胞浸润及抗肿瘤免疫相关。发育轨迹分析显示，TAM分化起始于组织驻留样巨噬细胞，终末阶段为炎症相关亚型。

TAM共现模式及其与临床特征的关联

通过无监督聚类与相关性分析，研究人员揭示了不同TAM亚型间的共现模式。与肿瘤突变负荷（TMB）的相关性分析显示，部分高表达GPNMB及增殖相关亚型与TMB呈正相关，而基质样TAM亚型则呈负相关。生存分析表明，Macro_GPNMB_VCAN⁺、Macro_GPNMB_CCL18^-等亚型在大多数癌症中与不良预后相关。

TAM的泛癌空间分布特征

空间距离分析显示，巨噬细胞与癌细胞的平均空间距离最近。不同TAM亚型呈现独特的空间分布模式，其发育轨迹与空间位置密切相关。定义TAM周围100 μm范围为近端区域，研究人员发现多数TAM亚型在近端区域富集其他TAM亚型，而抗肿瘤免疫细胞则多被空间排斥。部分亚型（如Macro_APO⁺、Macro_GPNMB_VCAN⁺）则被大量癌细胞包围。

TAM促进CD8⁺T细胞活化并作为肿瘤免疫治疗潜在靶点

研究发现，FOLR2⁺TAM亚型与CD8⁺T细胞共定位并参与抗原呈递，与良好预后相关；而IFN⁺TAM亚型则通过分泌CXCL9、CXCL10等趋化因子招募CD8⁺T细胞。在免疫治疗队列中，IFN⁺TAM亚型在应答者中富集，且其丰度与新抗原相关评分呈正相关。然而，这些亚型也可能通过滞留CD8⁺T细胞于肿瘤外围，限制其浸润瘤核，并促进NLRP3炎症小体活化，从而形成免疫抑制环境。

定位于瘤核的TAM参与血管生成与代谢重编程

细胞通讯分析鉴定出MIF-(CD74+CXCR4/CD44)与MDK-(NCL/LRP1)为TAM与癌细胞间的普遍互作轴。Macro_GPNMB_VCAN⁺亚型与癌细胞互作最强，定位于肿瘤缺氧坏死区，高表达糖酵解相关基因，并通过SPP1/LGALS9-CD44轴促进肿瘤代谢重编程。Macro_INFI_IL1B⁺亚型则高表达血管生成相关基因，通过IL1B-IL1R2与CXCL8-CXCR2轴招募中性粒细胞，并通过EREG/EREG-EGFR/ERBB2轴直接促进肿瘤进展。

TAM与CAF的复杂调控网络为肿瘤生存与转移创造有利微环境

CAF是TME中与TAM互作最强的细胞群。研究人员鉴定出一个高表达巨噬细胞标志物的CAF亚型（Fib_CD74），提示巨噬细胞可向CAF转分化。伪时间轨迹分析证实了Macro_BGN、Macro_ECM、Macro_VWF等基质样TAM亚型处于巨噬细胞向CAF转化的过渡状态。CAF通过MIF-MDK轴、GAS6-MERTK/AXL轴及C3-C3AR1轴调控TAM的存活、极化与招募。反之，TAM通过SPP1-CD44及SPP1-整合素家族（ITGAV/ITGA5/ITGB1/ITGB5）轴激活CAF，促进基质重塑、血管生成及CXCL12表达。SPP1与POSTN共高表达的CAF亚型与患者不良预后显著相关，并在空间上形成物理屏障限制CD8⁺T细胞浸润。

讨论与结论

该研究通过整合多癌种单细胞与空间转录组数据，突破了传统M1/M2分类的局限，系统绘制了TAM的泛癌异质性图谱，并深入解析了其空间分布、发育轨迹及与TME各组分的双向互作网络。研究证实，TAM并非被动的免疫浸润细胞，而是TME中的关键调控枢纽，其促肿瘤功能依赖于与癌细胞、CAF及免疫细胞的动态互作。特别是以SPP1为核心的TAM-CAF互作轴，整合了基质重塑、免疫排斥与肿瘤进展，为开发新型TAM靶向治疗策略提供了重要的系统级理论框架。尽管受限于匹配样本与实验验证，该研究仍为理解TAM介导的免疫调控及设计联合免疫治疗策略奠定了坚实基础。