空間多組學助力揭示腦腫瘤中的微生物信號
題目：Microbial signals in primary and metastatic brain tumors
期刊：Nature Medicine
影響因子：50
DOI：10.1038/s41591-025-03957-4
研究背景
膠質(zhì)瘤及腦轉(zhuǎn)移瘤是成人最常見的惡性腦腫瘤，預后較差，通常對免疫治療反應不佳。傳統(tǒng)觀點認為血腦屏障嚴格限制微生物進入，腦組織被認為是低微生物區(qū)域。然而，近年來的研究已在腦腫瘤中檢測到細菌核酸信號，盡管這些結果容易受到污染的影響，且一直存在爭議。鑒于這一領域長期存在“真實信號 vs 污染假象”的核心難題，本研究采用嚴格的污染控制措施以及多種空間多組學技術，多角度驗證了原發(fā)性與轉(zhuǎn)移性腦腫瘤中微生物信號的真實存在。并通過CosMx SMI與GeoMx DSP空間多組學技術，確認細菌信號主要以細胞內(nèi)形式存在于腫瘤微環(huán)境中，并揭示這些低豐度、不可培養(yǎng)的細菌與局部免疫反應和代謝重編程密切相關。這些發(fā)現(xiàn)將微生物納入腦腫瘤微環(huán)境，為后續(xù)機制研究和免疫治療策略提供了基礎。
實驗設計與技術手段
本研究納入了221例患者的243個樣本，包括168個膠質(zhì)瘤和腦轉(zhuǎn)移瘤樣本，以及75個非癌性或腫瘤鄰近組織樣本。研究首先采用RNAScope 16S rRNA FISH、LPS（脂多糖：革蘭氏陰性菌外膜的主要成分）免疫組化及標準培養(yǎng)進行初步驗證，隨后重點依托空間多組學技術進行深入解析。
CosMx SMI：在膠質(zhì)瘤（n=19）和腦轉(zhuǎn)移瘤（n=9）TMA（組織芯片）上，使用Human 6K Discovery + 定制16S探針，對近10萬個單細胞進行高分辨率成像，精確定位細胞內(nèi)16S信號并明確其在各類細胞中的分布。
GeoMx DSP：在膠質(zhì)瘤（n=31）和腦轉(zhuǎn)移瘤（n=19）TMA上選取數(shù)百個ROI，使用Whole Transcriptome Atlas（~18,000基因） + 免疫-腫瘤蛋白panel + 定制16S探針，系統(tǒng)揭示16S信號高表達區(qū)域顯著富集免疫反應及代謝通路。
此外，研究還結合了16S擴增子與宏基因組測序等技術進行輔助驗證，并在全程中實施了嚴格的無菌操作和多重對照，以確保結果的準確性和可靠性。
主要發(fā)現(xiàn)
1、腦腫瘤中微生物信號的細胞內(nèi)分布分析
該研究在膠質(zhì)瘤和腦轉(zhuǎn)移瘤中均檢測到細菌16S rRNA和LPS信號，主要以細胞內(nèi)形式存在于腫瘤細胞、巨噬/小膠質(zhì)細胞、星形膠質(zhì)細胞及內(nèi)皮細胞。CosMx SMI高分辨率成像顯示，膠質(zhì)瘤中0.65%、腦轉(zhuǎn)移瘤中0.3%的細胞含有高置信度細胞內(nèi)信號，非癌腦組織基本陰性。
腦腫瘤中微生物信號的細胞內(nèi)分布
2、細菌信號與免疫激活的關系
利用空間轉(zhuǎn)錄組GeoMx DSP檢測發(fā)現(xiàn)，16S信號高的區(qū)域充滿“抗菌免疫”痕跡，包括細菌感知通路、危險信號分子和抗菌蛋白的全面激活。腦轉(zhuǎn)移瘤中還伴隨中性粒細胞趨化因子與酶類上調(diào)。多重免疫熒光證實，CD16⁺中性粒細胞顯著增多。上述結果表明，腦腫瘤內(nèi)低豐度細菌是驅(qū)動局部抗微生物免疫反應和代謝重編程的重要因素。
細菌信號與免疫激活的關系
3、細菌信號在腫瘤微環(huán)境中的空間分布
CosMx SMI結果顯示，16S陽性細胞在腫瘤組織內(nèi)呈明顯的局灶性聚集，而非均勻散在，且與組織位置無關，排除技術偏移。且這些陽性細胞主要分布于腫瘤細胞核旁或胞質(zhì)內(nèi)，周圍常伴CD68⁺巨噬/小膠質(zhì)細胞、GFAP⁺星形膠質(zhì)細胞和血管內(nèi)皮細胞密集環(huán)繞，形成局部“免疫-基質(zhì)微生態(tài)位”。這種局灶性的空間模式，強有力地提示低豐度細菌并非污染產(chǎn)物，而是腦腫瘤微環(huán)境中真實存在的功能性組分，并可能持續(xù)刺激局部免疫反應。
細菌信號在腫瘤微環(huán)境中的空間分布
4、微生物信號與腫瘤代謝及遠端微生物群的潛在聯(lián)系
進一步分析發(fā)現(xiàn)，16S信號高表達區(qū)域伴隨多個代謝通路（糖酵解、三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化和脂肪酸代謝）顯著激活，提示局部能量需求增加。對新鮮及冷凍腫瘤樣本進行14天的有氧/厭氧培養(yǎng)，未見任何菌落生長，表明腦腫瘤中不存在可培養(yǎng)的活躍微生物組，僅為低豐度細菌狀態(tài)存在。此外，宏基因組測序發(fā)現(xiàn)腫瘤內(nèi)細菌序列與患者口腔和腸道微生物群高度重疊，提示微生物可能通過血行播散進入腦腫瘤。這些發(fā)現(xiàn)揭示了微生物信號在腦腫瘤中的潛在作用及與遠端微生物群的聯(lián)系。
腫瘤中的微生物信號與遠端微生物群的潛在聯(lián)系
總結
本研究通過多模態(tài)空間技術與嚴格驗證，首次系統(tǒng)地證實了膠質(zhì)瘤和腦轉(zhuǎn)移瘤中存在低豐度的細菌，與活躍的微生物組不同，這些細菌主要存在于細胞內(nèi)。這些細菌可持續(xù)激活先天免疫通路和代謝重編程，并與患者口腔/腸道微生物群相關。該發(fā)現(xiàn)將微生物正式納入腦腫瘤微環(huán)境的重要組成，為評估免疫微環(huán)境狀態(tài)、預測治療反應以及開發(fā)聯(lián)合抗生素或TLR激動劑的治療策略提供了新思路。
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