空間生物學揭示腫瘤微環境組織分布特征與腫瘤免疫反應的關系

多種成像技術可以在原位捕捉到單細胞信息。作者團隊之前已經開發出稱為co-detectionby indexing(CODEX)的成像系統。該成像系統結合了耦連了DNA的抗體和聚合酶、帶有熒光標記的核苷酸以及可裂解的化學熒光團來實現在新鮮冷凍組織中免疫熒光成像。在其他的研究中發現細胞類型的識別可以簡單的由緊鄰的細胞來預測。這也表明細胞標志分子和細胞定位之間的相互關系。研究表明鄰近細胞之間的關系可以預測自身免疫病模型小鼠的疾病進展。為了研究具有長期臨床隨訪結果和生存期數據腫瘤患者的iTME，作者團隊改進了CODEX系統，使該系統能夠兼容於福爾馬林固定、石蠟包埋的組織（formalin-fixedparaffin embeddedFFPE
）和組織微陣列樣本（tissuemicroarraysTMAs
）。

為了最大程度的識別組織中的細胞表型，作者構建了在結腸癌（colorectalcancerCRC
）侵襲前沿代表性的iTME的組織微陣列樣本，並用56種標記物進行成像。這些標記物可以用來識別實體瘤中與抗腫瘤免疫相關的細胞表型。通過成像確定了每個患者樣本中的細胞類型（celltypes CTs
），並將識別的鄰近細胞（cellularneighborhoodsCNs
）的特征作為局部CT特征。作者同時把CT和CN信息都作為患者樣本信息集合。作者將組織區域作為一個單元，即使內部單個細胞發生變化，CT和CN相對應的空間區域的變化也是相對的，組織區域依然保留其特征。

TMA成像流程圖

三級淋巴樣結構（tertiarylymphoid structureTLS
）是一種異位的類淋巴樣結構，多在發生炎症的組織中形成，包括腫瘤，自身免疫，感染或同種異體移植排斥反應發生時。與腫瘤相鄰的三級淋巴樣結構被稱為腫瘤相關的三級類淋巴樣結構，包含有樹突狀細胞、T細胞，生發樣中心以及B細胞等。在多種腫瘤中都揭示了TLS的生物學和臨床意義。一種iTME特征是在腫瘤浸潤前沿形成大量TLS，即形成“克羅恩樣反應”（Crohn’s-likereactionCLR
）。而另外一種典型的iTME特征是很少有TLS，而是出現彌漫性炎症浸潤（diffuseinflammatory infiltration DII
）。

先前已有研究發現，CLR患者的總體生存期比DII患者更長。兩類患者之間的生存期不同可能受其抗腫瘤免疫反應差異的影響，而不僅僅是腫瘤內在的因素。作者認為使用組織成像技術比較CLR和DII患者的iTME，或許能夠發現TLS以外的新型iTME結構，以探究細胞排列結構與抗腫瘤免疫反應之間的關系。

作者團隊從715名CRC患者的數據集中，選擇了17名CLR和18名DII患者，並選用腫瘤浸潤前沿部位構建了探究iTME的TMAs。作者發現與先前報道一致，CLR患者的總體生存率明顯優於DII患者。

使用CODEX系統對腫瘤TMA進行七色成像

七色成像放大成像圖

總結成像分析發現，與CLR患者相比，DII患者腫瘤中的iTME與之有差異。在DII患者中，T細胞和巨噬細胞構成CN偶聯。組織模塊分析提示，在CLR患者中，腫瘤對主要免疫過程的干擾程度要比DII患者低。其次就是，CN特異性的T細胞的功能狀態有所不同。在DII患者中，富集巨噬細胞的CN增加了Ki-67+ Treg細胞的富集，而富集T細胞的CN降低了Ki-67+ CD8 + T細胞的富集。富集粒細胞的CN富集的PD-1+ CD4 + T細胞的功能狀態與DII患者的生存率相對較好有關。在DII患者中，巨噬細胞富集的CN抑制了T細胞富集的CN的免疫反應激活。而在CLR患者中，T細胞富集的CN和腫瘤邊界上的CN之間有直接細胞間的相互作用。相反，在DII患者中，抑制性更強的巨噬細胞富集的CN則與腫瘤邊界的CN有關，這表明巨噬細胞富集的CN的抑制作用可能在抗腫瘤免疫應答中起到重要作用，是影響患者生存率的重要因素。

本研究模式圖

本文提供了一種模式框架，即動態組織（如iTME）的空間生物學。分析CN及其相關性可以用來揭示其在iTME中發揮的作用，而基於CNs的功能性研究進一步闡明了其中T細胞子集之間相關性，並確定了CNs之間的通信網絡。將作者開發的工具應用於大型病例隊列研究，有利於發掘可能的臨床標志物、治療性的策略，也有助於理解空間組織行為如何作用於抗腫瘤免疫效應。

作者也指出他們所開發實驗技術和計算框架有一定的局限性。系統適用樣本要求高；所耗抗體昂貴，並且抗體種類仍然較少；成像過程所受干擾較多，有些需要手動校正，還需進一步改進系統等方面。