撰文 | 冰拿铁
责编 | 翊竑
“癌症转移”是肿瘤学的根本问题之一，这一复杂过程由肿瘤侵袭、进入血液循环及远端器官定植等组成 【1】 。对于大肠癌患者来说，一旦发生肝转移，则面临着临床结局恶化的巨大风险 【2】 。对于癌细胞本身，高通量测序表明其转移模式极其复杂，可分为单克隆转移和多克隆转移等 【3-4】 。而在肿瘤细胞周围的微环境内，肝转移灶会形成高度免疫抑制的促转移巢 【5-6】 。整体来说，形成肝转移微环境的因素错综复杂，当前尚不清楚转移灶微环境的系统全貌，亟需系统深入探索。
近日，复旦大学附属中山医院肝外科樊嘉院士团队的 高强 教授、中国科学院上海巴斯德研究所 张晓明 研究组在 Cancer Discovery 上发表题为 Spatiotemporal Immune Landscape of Colorectal Cancer Liver Metastasis at Single-Cell Level 的研究论文， 基于来自20例患者的97例大肠癌肝转移的临床样本，整合空间转录组、单细胞转录组测序、多色组化等技术，揭示了大肠癌肝转移的免疫时空图谱。
在这项研究中，研究者采集了未治疗及新辅助化疗后的大肠癌肝转移“肝肠同切”的配对手术标本，利用单细胞转录组测序、空间转录组测序等技术进行了整合分析，并对单细胞测序捕获的免疫细胞进行了精细注释。研究发现，免疫细胞的比例具有较强的器官和组织特异性。具体来说，原发灶高浸润Treg细胞，而肝转移灶内则富集SPP1+ 巨噬细胞及MRC1+ CCL18+ M2样巨噬细胞，外部队列验证发现，肝转移灶的免疫浸润特征与单细胞测序一致。因此，作者进一步聚焦MRC1+ CCL18+巨噬细胞，“交叉对话”分析表明该巨噬细胞亚群在转移灶中有特殊的相互作用网络，可通过SIRPA-CD47的受体-配体对与转移灶癌细胞相互作用，多重免疫组化进一步验证了这一结果。原发灶和肝转移灶内浸润MRC1+ CCL18+巨噬细胞的差异分析表明，肝转移灶高表达LIPA、GLUL等代谢相关基因，通路富集分析表明肝转移灶浸润的MRC1+ CCL18+巨噬细胞与多种代谢通路有关。
为了探索免疫代谢在转移微环境的作用，作者建立了用于定量单细胞代谢活性的分析流程，并系统分析了髓系细胞。有趣的是，肝转移灶的MRC1+ CCL18+巨噬细胞的代谢活性高于其他组织及其他亚群。具体来说，肝转移灶的MRC1+ CCL18+巨噬细胞具有丙氨酸代谢、天冬氨酸代谢、谷氨酸代谢、苯丙氨酸代谢等特征性代谢活性，且IL4I1、MIF等相关分子均上调。作者进一步构建了大肠癌肝转移的小鼠模型，并发现Mrc1+巨噬细胞的免疫代谢特征在小鼠模型中部分保守。这些结果表明，在肝转移灶内巨噬细胞发生了特定的代谢重编程，可能在大肠癌肝转移中扮演重要作用。
最后，作者探索了新辅助化疗对转移微环境影响。研究者收集了对化疗部分缓解 (partial response, PR)和疾病进展 (progressive disease, PD) /疾病稳定 (stable disease, SD) 的新辅助化疗后大肠癌肝转移样本。有趣的是，化疗有效 （PR） 和无效 （PD/SD） 的样本呈现了截然相反的免疫特征。例如，化疗不敏感的肝转移灶呈现MRC1+ CCL18+巨噬细胞、中性粒细胞的高浸润，而化疗敏感样本的MRC1+ CCL18+巨噬细胞则显著下降，多重免疫组化进一步验证了部分结果。单细胞轨迹分析表明，化疗敏感样本的髓系细胞发生了潜在的去分化，而耐药样本则无此趋势。进一步代谢分析表明，化疗敏感的肝转移灶的髓系细胞可能发生了特异的代谢重编程 （如α-亚麻酸代谢） 。这些结果进一步表明了免疫代谢在大肠癌肝转移及药物响应等方面的重要作用。
综上， 这项工作整合了单细胞转录组、空间转录组等技术，描绘了大肠癌肝转移的单细胞时空图谱，揭示了巨噬细胞特殊亚群在转移灶中被“驯化”的分子、通路、代谢特征，为理解肿瘤转移微环境提供了新的线索。
这项工作得到了复旦大学附属中山医院樊嘉院士的悉心指导，也得到了复旦大学附属中山医院周俭教授和许剑民教授、中科院秦骏教授、北京大学白凡教授和席瑞斌教授的大力支持。复旦大学附属中山医院 高强 教授、中国科学院上海巴斯德研究所 张晓明 研究员为本文通讯作者。复旦大学附属中山医院博士生 吴英成 、 杨帅玺 、 马家强 及中国科学院上海巴斯德研究所 陈泽川 为本文共同第一作者。复旦大学张舒副研究员、复旦大学董良庆博士、中科院孟璐副研究员、南通大学范义辉教授、澳门大学曾健明博士为这项工作提供了重要的支持。
研究设计示意图