文献分享--整合空间组学揭示非裔与欧裔三阴性乳腺癌患者中截然不同的促肿瘤多细胞生态位和免疫抑制机制

作者，Evil Genius

感觉空转的文章也是越来越多了，有条件的话大家赶紧发一篇吧，尤其写简历的时候，一篇NC胜过千言万语，我就深有感触。

今天我们分享文献

知识积累

结合成像质谱流式细胞术和空间转录组学，对自我认定的非裔美国人（BA）和欧裔美国人（WA）TNBC患者的肿瘤微环境（TME）进行了表征。

分析发现，BA患者的TME以内皮细胞、巨噬细胞和间充质样细胞组成的网络为特征，这与患者生存率降低相关。 相比之下，WA患者的TNBC微环境中T细胞和中性粒细胞富集，提示T细胞耗竭和免疫应答受抑制。配体-受体分析和通路分析进一步表明，BA患者的TNBC肿瘤呈现相对“免疫冷”表型，而WA患者的TNBC肿瘤则表现出“炎性”TME特征，暗示其演化出独特的免疫抑制机制。

通过基因表达特征分析区分非裔（BA）与欧裔（WA）三阴性乳腺癌（TNBC）的研究发现，BA患者及非洲裔患者存在独特的肿瘤相关免疫特征。 这些研究采用的批量RNA测序技术揭示了TNBC的异质性，并提示肿瘤微环境（TME）中可能存在特殊的细胞间相互作用。

空间转录组学分析表明，TNBC患者的缺氧肿瘤区域和免疫细胞富集区存在种族差异。

研究创新性整合空间单细胞成像质谱（IMC）与空间转录组数据再分析，首次揭示：

• 种族特异的空间细胞互作模式
• 定义BA/WA独特肿瘤生态位的细胞群落结构

这些具有空间分辨率的互作网络与生态位特征，不仅与患者生存相关，还能推断肿瘤分子特性。

三阴性乳腺癌（TNBC）中存在由肿瘤细胞、免疫细胞和内皮细胞共同构成的多细胞生态位及免疫抑制机制，且这些结构在非裔（BA）和欧裔（WA）患者中存在显著差异。

分析样本

1. 成像质谱流式（IMC）分析

• 发现队列：57例（BA 26例/WA 31例）来自Baylor Scott & White医院（BSW）
• 验证队列：46例（BA 15例/WA 31例）来自Roswell Park综合癌症中心；10例（BA/WA各5例）来自BSW（BSW2子集）

2. 空间转录组（ST）分析

• 核心数据集：BSW2子集：9例（BA 4例/WA 5例）进行10X Visium ST检测
• 整合数据来源：乔治亚社区医院（Aneja博士团队）10例（BA 6例/WA 4例）
• Bassiouni等（BAS）已发表数据集20例（BA/WA各10例）

数据分析策略：

• BAS数据集用于初始发现，BSW2和乔治亚数据集验证BA/WA特异性空间生态位基因特征

3. 纳米弦GeoMX DSP验证

• 对BSW-发现队列进行特定区域（ROI）和分区mRNA检测，为种族相关生态位基因特征提供补充验证

总数据量：

• 空间免疫蛋白质组数据：113例TNBC患者
• 空间基因表达数据：39例TNBC患者
• 通过该体系可强力解析BA与WA患者肿瘤行为差异相关的空间生态位

分析方法框架：

• 基于IMC数据的细胞互作鉴定与群落检测
• 细胞群落预后意义评估
• Visium ST中细胞群落的空间定位
• 扩展基因特征（ESG）确定
• 配体-受体分析揭示空间生态位内的潜在驱动机制

单细胞空间互作图谱研究方案

1. 实验设计

• 采用 组织微阵列（TMA） 技术（直径3mm/样本）对个体肿瘤多区域（ROI）进行 成像质谱流式（IMC） 分析，检测26种靶向免疫调节、间质及上皮蛋白的抗体组合。

2. ROI选择标准

• 病理学验证：由乳腺病理学家基于H&E染色切片初选，并经第二位病理学家复核
• 区域特征： 必须包含肿瘤细胞与微环境（TME）免疫/间质细胞的混合区域 覆盖 肿瘤中心 与 外周区域 按免疫浸润程度分为 免疫富集区 与 免疫贫乏区
• 种族平衡：BA与WA患者的ROI数量及类型严格匹配

方法学优势

通过多病理学家盲法评估+TMA标准化处理，最大限度减少观察者偏倚和技术变异，确保跨种族比较的可靠性。

单细胞空间图谱解析结果（16种单细胞类型 + 4种多细胞类型clusters）

结果1、空间细胞互作模式（而非细胞群丰度）区分非裔与欧裔TNBC

核心发现

通过对比分析非裔（BA）与欧裔（WA）患者的肿瘤样本，发现空间细胞互作网络（而非单纯的细胞群丰度）是区分种族差异的关键生物学特征。

1. 细胞群丰度分析的局限性

• 种族间相似性：大多数细胞集群在BA/WA患者中丰度相近

部分差异集群：

• BA富集：初始T细胞（Cluster 20a，标志物CD31/CD45RA）
• WA富集：耗竭性细胞毒性T细胞（Cluster 7a，标志物CD152/CD8a）

关键结论：仅凭细胞丰度无法有效区分种族（补充图4b）

2. 空间互作分析技术路线

采用 Giotto算法 进行空间邻近性富集/耗竭分析：

• 基线建模：通过ROI内细胞类型标签随机置换，建立患者特异性互作背景模型
• 差异检测：使用线性混合模型（LMM）识别BA/WA特异性互作（考虑ROI层级结构）
• 阳性系数：该种族中互作增强
• 阴性系数：该种族中互作减弱

种族特异性互作图谱

分析结果汇总

• 空间组织模式（而非细胞组成）是种族差异的驱动因素
• BA特异性互作网络可能通过内皮-免疫细胞串扰促进免疫抑制
• WA特异性互作与T细胞耗竭/缺氧微环境相关，为精准免疫治疗提供新靶点

其他IMC队列中同样存在种族特异性细胞互作

为验证种族特异性细胞互作模式的普适性，我们在两个独立TNBC队列中进行了重复实验

分析方法

• 细胞分群：无监督聚类生成20个细胞亚群
• 空间互作检测：采用与发现队列相同的邻近性分析流程

尽管三个IMC数据集的聚类定义存在技术性差异（无监督聚类特性），但各队列内部均稳定呈现种族特异的互作模式，提示这些发现具有生物学可重复性。

结果2、多队列IMC分析揭示与临床预后相关的细胞群落结构

通过分析三个独立IMC队列（BSW发现集、BSW2和Roswell Park验证集），鉴定出：

• BA特异性群落（2个）：以"M2巨噬细胞-内皮细胞-间质细胞-初始T细胞"互作为核心特征
• WA特异性群落（4个）：以"耗竭CD8 T细胞-辅助T细胞-M2巨噬细胞-缺氧微环境"为主导

预后分析关键结果

1. 评分系统构建

• 计算每个患者的群落互作综合评分（BA/WACOMMUNITY-ALL）
• 按中位值分为高/低评分组

2. 生存关联性

3. 关键结论

• BA群落：跨队列一致的独立预后因子（校正年龄/种族/分期后HR=2.1-2.4）
• WA群落：预后价值具有队列特异性
• 单细胞丰度：与种族特异性生存无关

生物学与临床意义

BA患者治疗靶点

• 内皮-巨噬细胞-间质细胞互作网络可能是导致不良预后的关键驱动因素

WA患者异质性

• 耗竭T细胞群落预后价值的队列差异提示需进一步细分WA亚群

治疗策略启示

• 靶向群落特异性互作（如BA中的CD163+巨噬细胞串扰）可能改善疗效

结果3、非裔TNBC肿瘤微环境特征：内皮-巨噬-间质细胞三联体

多组学整合分析策略

#######数据整合：

• IMC蛋白质数据：26种抗体标记
• 空间转录组数据：20例TNBC（BA/WA各10例）冷冻样本的10X Visium数据
• 基因-蛋白对应：如CD31→PECAM1，CD45RA→PTPRC

分析方法：

• 将IMC鉴定的BA/WACOMMUNITY-1特征基因进行空间共定位分析
• 计算空间聚类评分（Spatial clustering score）

BA肿瘤特异性生态位

WA肿瘤微环境特征

免疫耗竭表型：

• 耗竭标志物（CTLA4/GZMB）弥漫性分布
• 缺氧信号（HIF1A）广泛存在

关键差异：

• 缺乏BA中观察到的结构化细胞群落
• 间质-内皮标记共表达水平显著降低

生物学意义

BA特异性治疗靶点：

• 内皮-巨噬-间质细胞三联体可作为联合治疗靶标
• 空间共定位提示细胞间功能性串扰

WA治疗困境：

• 全身性T细胞耗竭限制免疫疗法响应
• 缺氧微环境可能促进治疗抵抗

结果4、生态位特异性基因特征揭示种族相关肿瘤微环境新组分

分析方法

基因特征提取：

• 从空间转录组（ST）数据中筛选高/低表达BA或WA群落基因的位点
• 鉴定共表达基因（扩展特征基因，ESGs）
• 通过GSEA分析通路富集（FDR<0.05）

实验验证：

• 在验证队列IMC面板中加入中性粒细胞标志物MPO
• 通过免疫荧光共定位验证细胞互作

结果5、BA与WA肿瘤生态位驱动因素及WA生态位中T细胞耗竭的主导作用

分析方法：基于扩展特征基因（ESGs）筛选种族特异性配体-受体互作对，并通过基因集富集分析揭示下游通路活性。

BA肿瘤生态位驱动机制

促纤维化和血管生成信号协同驱动肿瘤进展

WA肿瘤生态位特征

研究启示

BA治疗策略：靶向PDGF/VEGF-整合素信号轴可能打破促肿瘤生态位

WA治疗困境：

• 耗竭T细胞与髓系细胞互作形成免疫屏障
• 需开发CXCR3拮抗剂等新型免疫调节剂

结果6、跨平台验证BA/WA特征基因在独立队列中的表达模式

研究设计

通过 双平台验证策略 在独立临床队列中确认种族特异性基因特征：

空间转录组（10X Visium ST）

• BSW2队列：9例（BA 5/WA 4）
• 乔治亚队列：10例（BA 6/WA 4）

数字空间分析（Nanostring GeoMx DSP）

• 57例TNBC（BA 26/WA 31）的特定区域检测

关键发现

生物学启示：

• BA生态位：内皮-间质转化与免疫细胞串扰形成结构化促肿瘤微环境
• WA生态位：耗竭性免疫浸润呈弥漫性分布，提示全身性免疫抑制

最后来看看方法

生活很好，有你更好