肺癌是世界范围内最常见的癌症类型之一。肺腺癌是肺癌的一种，属于非小细胞肺癌，其特征是个体肿瘤和单个肿瘤不同区域间存在高度异质性。单个肿瘤不同区域间的异质性被称为肿瘤内异质性（ITH），是癌症复发转移的重要驱动因素之一，并与肿瘤进展、治疗反应和耐药性相关。目前，ITH的空间模式仍不清楚，人们尚不了解肿瘤内空间异质性对癌症进展及免疫微环境的影响。

近日，北京大学肿瘤医院吴华君课题组、美国哈佛大学Franziska Michor课题组和斯隆凯特琳癌症中心Robert J. Downey课题组合作在Cell Genomics发表了题为“Spatial intra-tumor heterogeneity is associated with survival of lung adenocarcinoma patients”的文章。

研究团队通过三种空间组学技术和多种正交方法对147名肺腺癌患者的ITH进行了空间多组学分析，鉴定了两种不同的与患者复发、死亡风险相关的肿瘤内空间异质性模式，并探讨了这两种空间异质性肿瘤的肿瘤细胞DNA拷贝数变化、转录组特性和免疫微环境特征，在蛋白质组和基因组水平上揭示了肿瘤的空间异质性特征。

文章发表在Cell Genomics 

图1. 研究肿瘤内空间异质性的方法概述。来源：Cell Genomics

接下来，研究团队通过MALDI数据研究了蛋白质组空间中的ITH程度，并使用平均细胞间距离来量化基于单细胞RNA测序（RNA-seq）数据的ITH。对于患者的样本切片，研究团队设计了一种新的分析方法，将样本中蛋白质组的空间多样性（GD）定义为分子特征与区域位置分布之间的关联度。（图2）

结果显示，肿瘤中出现了两种不同的空间异质性模式：聚集模式（Clustered，分子特征相似的细胞在空间中聚集在一起）和随机模式（Random，分子特征相似的细胞随机分布在空间中）。与聚集模式肿瘤相比，随机模式肿瘤表现出细胞-细胞粘附通路相关的程序下调，具有肿瘤互作内皮细胞水平较低、浸润免疫细胞较高等特征，该模式肿瘤患者的复发几率较高，死亡风险显著增加。此外，研究团队发现蛋白质组ITH与存活率无关，蛋白质组GD与发现、验证队列中的患者生存率显著相关。

图2. 肺腺癌的蛋白质组空间异质性。来源：Cell Genomics

为确定上述GD模式与肿瘤细胞和肿瘤微环境中其他细胞之间的不同空间相互作用模式是否相关，研究团队对12名胰腺癌患者FFPE（福尔馬林固定石腊包埋）肿瘤病理组织的1000多万单细胞进行了检测（图3）。在研究不同组织学分级区域中的免疫细胞数量时，发现免疫浸润程度与分级相关，高级别/低分化组织学与较低程度的免疫浸润相关。

在分析从MALDI数据确定的空间聚集与随机分布肿瘤的免疫浸润模式时，研究团队发现蛋白质组GD与通过成像检测的免疫浸润GD之间没有显著相关性，但蛋白质组学GD与肿瘤相互作用的内皮细胞和间充质细胞的百分比呈正相关。肿瘤内聚集性细胞分布总体上具有较高的肿瘤细胞含量，并且靠近内皮细胞和间充质细胞的肿瘤细胞的数量和比例均较高。

图3. 肿瘤细胞组成和微环境相互作用。来源：Cell Genomics

最后，研究团队对来自发现队列7个肿瘤的多个切片进行了单细胞全基因组DNA拷贝数分析（图4），并通过这些数据描述了体细胞事件（CNA，体细胞中染色体/基因的缺失或扩增）的多样性程度。某些肿瘤内聚簇的肿瘤细胞多来自同一区域的单个细胞，享有共同的祖先细胞来源，表现为聚集型分布的特点；另一些肿瘤标本则表现为随机分布，表明在蛋白质组数据中观察到的GD模式也存在于基因组空间中。

研究团队还观察到，不同肿瘤中相同癌症基因CAN频率的不同模式。有趣的是，一些CAN在同一肿瘤的不同宏观解剖区域也显示出不同的克隆性。上述结果表明，患者之间和患者内部的亚克隆CNA频率具有不同的模式，进一步阐明了肺腺癌的基因组异质性模式。

综上所述，研究团队通过多种空间组学技术，结合多组学计算方法对肺腺癌中的ITH及其GD进行了综合分析，揭示了肿瘤微环境的细胞组成，以及更大范围内单个肿瘤细胞的基因组异质性，构建了肺腺癌中肿瘤内异质性的空间图谱，对肿瘤内空间异质性的机制和与临床预后的关系提出了新的见解。此外，该研究结果证明了一种新研究策略的潜力——评估高阶肿瘤结构特征，例如空间ITH，该策略将为组织切片中预后生物标志物的未来发展提供新思路。

参考文献：

Hua-Jun Wu, Daniel Temko, Zoltan Maliga, et al. Spatial intra-tumor heterogeneity is associated with survival of lung adenocarcinoma patients. Cell Genomics. 2022 August 10. doi: https://doi.org/10.1016/j.xgen.2022.100165.