该篇文献标题为《肿瘤演化及微环境在二维和三维空间的交互》，发表于Nature杂志第634卷，由芝加哥大学的Chia-Kuei Mo、Jingxian Liu等学者发表。研究通过空间转录组学技术，结合单核RNA测序和CODEX多重标记成像，对不同癌症类型的肿瘤切片进行深入分析，揭示了癌细胞在不同空间微区域中的克隆结构和基因组特征，从而探索了癌症在微环境中复杂的空间演化过程。本文采用跨癌症的分析框架，为癌症研究特别是治疗耐药机制的理解提供了重要的见解。
癌症的空间异质性和克隆演化一直是肿瘤生物学研究的重要课题。肿瘤演化是指肿瘤细胞在空间和时间上的适应性变化，通过基因突变和选择过程不断演变。这种异质性不仅影响肿瘤的侵袭和转移能力，还在很大程度上决定了其对抗癌疗法的反应。然而，传统的整体基因组和单细胞技术难以保留空间信息，导致对肿瘤内部结构及其与微环境交互的理解有限。近年来，空间转录组学技术如Visium系统的出现，使得研究者可以高分辨率地解析肿瘤内细胞的空间分布和基因表达模式。本研究旨在通过结合空间转录组学和多种测序技术，系统地分析六种癌症类型中的肿瘤微区域，进一步揭示克隆结构的空间异质性及其在治疗耐药性中的潜在机制。
该研究共分析了131个肿瘤切片，涵盖乳腺癌（BRCA）、结直肠癌（CRC）、胰腺导管腺癌（PDAC）、肾细胞癌（RCC）、子宫内膜癌（UCEC）和胆管癌（CHOL）六种癌症类型。这些样本来自78个患者病例。研究采用Visium空间转录组学技术对肿瘤切片中的癌细胞和非癌细胞进行高分辨率的空间分析，结合48个匹配的单核RNA测序数据和22个匹配的CODEX多重标记成像数据，构建了肿瘤的二维和三维空间结构。此外，研究还通过深度学习算法分析了不同肿瘤微区域中的免疫细胞浸润情况，构建了空间上热区和冷区的免疫景观模型。
在数据分析过程中，研究者定义了“肿瘤微区域”，即通过基质成分分隔开的癌细胞集群，并将共享特定基因改变的微区域定义为“空间亚克隆”。通过多层次分析，研究团队对每个切片进行了克隆进化分析、转录相似性分析、基于层的肿瘤微环境交互分析、肿瘤生长模式构建及多切片三维空间邻域重建。
肿瘤微区域的空间结构及其异质性：研究发现，肿瘤微区域的大小和密度在不同癌症类型中存在显著差异。例如，结直肠癌的微区域平均厚度比乳腺癌和胰腺癌更大。此外，原发性肿瘤和转移性肿瘤在微区域大小和深度上也表现出差异性，转移性肿瘤更倾向于形成较大的微区域，这表明原发性和转移性肿瘤的生长模式不同，微环境可能在此过程中发挥了作用。
空间亚克隆的发现：研究通过空间转录组学数据和CODEX数据，发现部分肿瘤切片中存在多个空间亚克隆。这些亚克隆具有不同的基因拷贝数变异和突变特征，表现出不同的致癌活性。例如，在一个结直肠癌肝转移样本中，研究检测到了两个不同的空间亚克隆，这些亚克隆在染色体结构上具有显著差异，表明这些亚克隆在肿瘤演化过程中可能具有独立的进化路径。
肿瘤微区域内的免疫细胞分布：研究发现，肿瘤微区域中心的代谢活性较高，而在边缘区域的抗原呈递活性增加。此外，不同的肿瘤微区域内的T细胞浸润情况差异显著，巨噬细胞主要分布在肿瘤边界区域。这些发现为进一步了解肿瘤与微环境的动态交互提供了新的见解。
三维肿瘤结构重建：通过对48个序列化切片进行三维空间重建，研究团队成功再现了肿瘤的空间组织结构，揭示了肿瘤内的异质性和空间亚克隆的三维分布。这种三维重建技术为探究肿瘤演化过程中不同空间克隆的交互提供了有力工具。
免疫热区和冷区的鉴定：研究运用了深度学习算法，结合空间转录组学和CODEX数据，成功识别出肿瘤中的免疫热区和冷区。免疫热区表现出增强的免疫消耗标志，而冷区则缺乏活跃的免疫响应。这种空间免疫分布的差异性可能对肿瘤的免疫逃逸机制和耐药性产生影响。
本研究通过多模态的空间组学分析系统揭示了肿瘤在空间微环境中的异质性和克隆演化特征，展示了肿瘤细胞在二维和三维空间中如何通过基因突变和选择过程适应其周围微环境。研究发现的空间亚克隆和免疫微环境的异质性，不仅有助于理解肿瘤的生物学特性，还为癌症耐药性和治疗失败机制的研究提供了新的视角。此外，通过揭示不同肿瘤类型的微区域特征，本研究提出了癌症个体化治疗的新可能性。