课前准备--分子表型与空间原型：癌症相关成纤维细胞的新研究框架
作者，Evil Genius
本周我们2026空间转录组系列课程进入到visium HD与Stereo-seq的分析阶段，希望学员们了解原理、理解数据文献应用的基础上，跟着课程把自己的数据一步一步给分析出来。
今日参考文献
知识积累
成纤维细胞在伤口愈合过程中产生结缔组织的作用。
成纤维细胞的起源与正常功能：维持ECM稳态、界定组织边界、协调伤口修复。
肿瘤中的CAFs形成机制
肿瘤被视为“无法愈合的伤口”，劫持正常修复程序。
导致组织驻留和招募的间充质祖细胞持续激活，形成CAFs。
CAFs的功能多样性
在肿瘤进展中功能不断演化。
主要作用：ECM重塑、分泌因子、调节代谢、建立免疫抑制微环境，促进侵袭、转移和耐药。
单细胞与空间组学带来的突破与挑战
突破：揭示CAFs由多种谱系和状态组成，与祖细胞和空间微环境密切相关。
挑战：产生大量转录聚类，难以区分“保守的生物实体”与“短暂、情境特异的适应”。
聚焦三类保守分子表型：iCAFs、myCAFs、apCAFs。
分析点1、CAF异质性的起源
一、CAF异质性的两大核心驱动因素
情境依赖性可塑性：CAFs能感知并响应邻近细胞和微环境信号，在肿瘤进展过程中随时间动态变化。
不同的细胞起源：多种类型的前体细胞均可分化为CAFs，起源不同影响其命运和功能。
二、CAF可塑性的实验证据（按癌种）
乳腺癌中，FAP⁺ CAFs可在不同空间微环境间发生状态转变——从位于免疫保护微环境（含FOLR2⁺巨噬细胞）的Detox-iCAF，经Wound-myCAF中间态，最终转变为靠近癌细胞的免疫抑制性ECM-myCAF，该过程受YAP1信号通路调控。
PDAC中，胰腺星状细胞可被TGF-β驱动为myCAF表型，或被IL-1/JAK-STAT激活驱动为iCAF表型；调节性T细胞是TGF-β的重要来源，将免疫背景与CAF可塑性联系起来。
反过来，特定myCAF亚群（如乳腺癌和卵巢癌中的FAP⁺ ANTXR1⁺ myCAFs）也能促进Tregs的吸引、存活和分化，形成相互强化的免疫抑制环路。
肺癌中，早期肿瘤以α-SMA⁺ CAFs（含胶原IV纤维）为主，晚期肿瘤则转为FAP⁺α-SMA⁺ CAFs（含胶原XI/XII），说明尽管T细胞排斥功能保守，但CAF表型随肿瘤进展发生可塑性变化。
小鼠肺转移模型也显示CAF转录谱在转移过程中发生动态重塑。
三、肿瘤基因型对CAF异质性的影响
乳腺癌中，BRCA突变的肿瘤与BRCA野生型肿瘤相比，CAF组成存在差异，提示癌症基因型影响基质异质性。
PDAC中，BRCA功能缺失可驱动胰腺星状细胞从肌成纤维细胞表型向免疫调节表型发生转录转变。
四、CAF的多种细胞起源
主要来源：组织驻留的间充质前体细胞，其中存在一类跨器官的“普遍成纤维细胞”（稳态下以DPT、PI16、COL15A1为标志），被认为是CAF的最主要前体，经Dpt报告小鼠谱系示踪证实。
组织限制性前体：胰腺中的GLI1⁺成纤维细胞（对Hedgehog信号响应），以及肝脏和胰腺中的星状细胞，均可产生CAFs。
间皮细胞（覆盖浆膜腔）可在多个解剖部位产生表达MHC-II的apCAFs，其功能意义可能因组织而异。
周细胞也可能作为CAF来源，有鳞状细胞癌和肺癌的谱系示踪证据及跨癌种计算推断支持，但尚需进一步验证。
内皮-间质转化也被提出作为一种潜在起源，但目前尚未在TME中得到正式证实。
五、不同细胞起源的功能非冗余性
PDAC中抑制某些CAF谱系，虽然总CAF数量变化不大，但肿瘤表型出现可测量差异，说明其他谱系能进行数量补偿，但不能完全替代功能。
CD105表达区分了两个PDAC CAF群体：CD105⁻ CAFs具有肿瘤抑制作用，通过适应性免疫依赖、MHC-II非依赖机制促进抗肿瘤免疫；而TGF-β依赖的LRRC15⁺ CAFs则抑制抗肿瘤免疫。
在肿瘤早期破坏LRRC15⁺ CAFs会触发LRRC15⁻ CAFs的补偿性扩增，但在已形成的肿瘤中靶向消融LRRC15⁺ CAFs可增强免疫检查点阻断疗法的疗效。
星状细胞仅产生PDAC中部分myCAFs，而非全部；缺乏星状细胞来源CAFs的肿瘤，胶原总量虽相似，但机械信号传导和特定基质成分（如腱糖蛋白C）存在差异。
肝细胞癌中，星状细胞可根据局部信号既产生iCAFs也产生myCAFs，且同一谱系中不同遗传扰动会产生不同的功能结果。
六、核心结论
细胞起源可以在一定程度上限制CAFs的命运潜能，即并非所有CAF状态都能由任意前体细胞产生。
但某些功能（如基质产生、细胞因子表达）在感知到空间或旁分泌信号后可能被不同起源的CAFs所共享，说明微环境信号可在一定程度上超越起源的限制。
分析点2、保守的CAF表型
一、炎症性CAFs（iCAFs）
定义特征：高表达炎性细胞因子/趋化因子（IL-6、LIF、CXCL1、CXCL2、HGF），低表达α-SMA，高表达PDGFRα。
分化调控：由IL-1/TGF-β拮抗作用决定——IL-1α激活NF-κB→诱导LIF→通过JAK/STAT3自分泌环路维持iCAF表型；TGF-β通过SMAD2/3下调IL-1R1，将成纤维细胞推向myCAF命运。
空间定位：近端成纤维细胞接受TGF-β信号，远端成纤维细胞受IL-1诱导，CAF表型与空间位置耦合。
冗余信号：OSM、TNF、IL-17A可能协同IL-1驱动iCAF极化，但体内补偿机制尚需研究。
应激反应促进iCAF：缺氧（HIF-1α）、HSF1（BRCA突变PDAC）、谷氨酰胺耗竭（MEK-ERK）、NRF2/氧化应激通路均可诱导iCAF。
临床相关性：iCAF与化疗耐药和不良预后相关；CD10⁺GPR77⁺CAFs通过NF-κB驱动IL-6/IL-8维持癌症干细胞微环境；直肠癌放化疗触发IL-1α驱动的iCAF极化以促进肿瘤存活。
现存挑战：难以区分真正的iCAFs与活化的成纤维细胞祖细胞（DPT⁺/PI16⁺）；高分辨率分析可区分专一性iCAF（高IL6/LIF/CXCL1，低祖细胞标志物），但这些是稳定群体还是短暂状态尚无定论。
二、肌成纤维细胞样CAFs（myCAFs）
基本特征：最丰富的CAF亚型，尤其在促结缔组织增生性癌症中占多数；靠近癌细胞、具收缩性、富含ECM、高表达α-SMA。
分化驱动因素：TGF-β是主要驱动因素，Hedgehog和YAP/TAZ机械传导信号也参与维持该表型。
功能争议：myCAF对肿瘤的作用是基质生物学中争议最大的议题之一——早期认为α-SMA⁺基质细胞抑瘤，但血管壁细胞表达α-SMA使解读复杂。
情境依赖性（星状细胞来源）：PDAC中Lrat⁺细胞来源的胶原限制肿瘤生长，但细胞本身促进播散；HCC中Lrat⁺ myCAFs及其胶原均驱动肿瘤发展。反映ECM功能的情境依赖性及我们对CAF起源认知的不足。
促转移机制：EGFR激活的CD90⁺ myCAFs通过诱导EMT促进PDAC转移；PDAC肝转移中SPP1⁺ myCAFs与巨噬细胞互作，抑制CD8⁺ T细胞浸润和激活。
免疫抑制物理机制：myCAFs沉积致密胶原和纤连蛋白网络，增加间质压力，限制T细胞进入癌巢。
LRRC15⁺ myCAFs：是对高TGF-β信号的普遍应答，削弱CD8⁺ T细胞功能，驱动免疫检查点阻断耐药。
衰老myCAFs（senCAFs）：通过富含基质体的SASP，促进免疫抑制性巨噬细胞，抑制T细胞和NK细胞活化（PDAC和乳腺癌）。
化疗后残留的ANTXR1⁺ myCAFs：在卵巢癌中抑制CD8⁺ T细胞功能。
三、抗原呈递CAFs（apCAFs）
定义与意义：表达MHC-II基因和抗原呈递机制（人类：HLA-DRA/DRB1/DPA1/DQB1/CD74；小鼠：H2-Aa/Ab1/Cd74），由CIITA关键调控；标志着成纤维细胞认知从“结构/炎性”二元观扩展至免疫调节领域。
与其他CAF的区别：其他CAF在IFN-γ刺激下可短暂表达MHC-II，但apCAFs是转录组独特的群体，具有组成性高MHC-II表达。
PDAC中的功能：apCAFs与间皮细胞密切相关；具备与CD4⁺ T细胞接合的能力，但缺乏共刺激分子CD80/CD86，可能作为免疫诱饵通过无能或Treg分化诱导T细胞耐受。
跨癌种功能矛盾：apCAFs在肺癌中阻碍新辅助化学免疫治疗；在胃癌中促进T细胞活化和抗肿瘤免疫；在乳腺癌中与良好预后相关。
两种起源谱系（近期谱系分辨分析）：
CD24⁺间皮样apCAFs：源自间皮前体细胞，暴露于IL-1/TGF-β信号，定位于癌细胞附近，富集于腹膜和放化疗耐药微环境，该处T细胞常呈耗竭/免疫抑制特征。
CD52⁺造血相关apCAFs：可能为被招募的造血细胞，获得强基质基因特征；定位于淋巴细胞富集区域，可能在三级淋巴结构形成/维持中起作用；小鼠肺癌中C1q介导的apCAF免疫主要归因于此亚群。
共同特征：两谱系均上调SPP1，提示与转移和治疗耐药存在共同关联。
未来方向：迫切需要定义apCAFs的内在分子调控因子，以开展更明确的功能研究。
分析点4、其他基质细胞群体
除了myCAF、iCAF和apCAF三大主要功能极化类型外，单细胞测序数据中还频繁发现其他间充质细胞聚类群。
强调有必要建立一个通用的CAF分类框架，包含规范的类别和统一的命名体系。
该框架的目的在于：① 使研究聚焦于真正的功能状态；② 避免对肿瘤微环境进行过度分类；③ 推动整个领域的研究进展和成果可比性。
分析点5、其他普遍祖细胞相关的CAFs
一、普遍祖细胞相关CAFs
在多项研究中，PI16⁺/DPT⁺/CD34⁺的祖细胞样聚类常与极化的CAF状态同时出现。
这些细胞处于静止状态，缺乏活化CAF的收缩程序，代表尚未被肿瘤信号重塑的初始组织驻留成纤维细胞。
文献中描述的许多新CAF聚类，可能只是在不同活化阶段被捕获的同一保守祖细胞库。
未来需研究这种分化转变是经过离散的状态还是由空间定义的微环境所介导。
二、壁细胞（周细胞和平滑肌细胞）
壁细胞常被误归入“CAF”聚类，是基质生物学中的一个重要混淆来源。
壁细胞虽与成纤维细胞有间充质相似性，但在功能和转录上是不同的实体。
误分类的主要原因：壁细胞表达α-SMA（ACTA2），与myCAFs相似。
关键区别：壁细胞缺乏典型成纤维细胞标志物（PDGFRα、PDPN）；周细胞表达RGS5、MCAM、CSPG4，平滑肌细胞表达MYH11、DES；壁细胞的α-SMA水平显著高于myCAFs，反映其主司血管张力/收缩性而非基质重塑。
壁细胞可能作为某些成纤维细胞亚群的祖细胞：肺癌中壁细胞可贡献于CCL19⁺成纤维网状细胞和淋巴结构形成；乳腺癌中定义为血管CAFs（vCAFs）的周细胞相关聚类具有独特的血管周围基因特征，与myCAFs可区分。
将CAFs与壁细胞准确区分，有助于阐明它们在TME中的空间分布、可塑性和功能。
三、增殖性CAFs
高保真肿瘤基质图谱中常鉴定出高表达细胞周期基因（MKI67、TOP2A、STMN1、CDK1）的独特成纤维细胞聚类。
由于细胞周期转录本在基因特征中占主导，这些“增殖性CAFs”常被单独聚类，但可能代表CAF群体中正在扩增的部分。
转录分析表明，增殖性CAFs通常保留着myCAFs相关的潜在基因特征。
假说：在许多情况下，myCAFs可能是肿瘤基质中增殖最活跃的群体，驱动促结缔组织增生反应的扩展。
四、癌症之外的基质表型
前述保守的CAF表型并非TME独有，也存在于其他病理状态中。
横跨健康、炎症、纤维化和癌症的跨组织研究表明，非癌症病理同样驱动成纤维细胞组成和表型的一致性变化。
与iCAFs相似的炎性成纤维细胞见于类风湿性关节炎、炎症性肠病等慢性炎症；肌成纤维细胞程序是特发性肺纤维化、系统性硬化症和肝硬化的标志；MHC-II⁺抗原呈递成纤维细胞也见于发炎的关节和肠道组织。
核心启示：肿瘤可能劫持了保守的组织损伤应答程序，而非创造全新的基质状态；纤维化和炎症疾病的研究与癌症成纤维细胞生物学可相互借鉴。
分析点5、CAF分类框架
分类框架的总体目的
鉴于基质区室复杂性和高维数据快速增长，亟需建立一个共识性分类体系，以整合不同肿瘤类型和技术平台的研究发现。
提出一个四级分层标志物框架作为概念性指南，用于解析发育起源与功能状态之间的重叠关系。
第一级：界定间充质区室
首要步骤：将间充质区室与TME中的上皮、内皮和免疫组分区分开。
统一特征：所有基质细胞均强力表达ECM基因，因此门控基于纤维状胶原基因（COL1A1、COL1A2、COL3A1）的高表达。
排除非基质细胞时应精细操作，保留谱系过渡群体——仅基于KRT或CD45的严格过滤可能排除有意义的亚群（如间皮相关细胞表达KRT，造血祖细胞表达PTPRC）。
在无监督分析中，这些混合谱系祖细胞因ECM程序占主导而与间充质区室共聚类。
第一级定义“ECM胜任”景观，有意保留模糊群体供第二级精确分辨。
第二级：描绘基质谱系
普遍成纤维细胞祖细胞：表达PI16或DPT。
壁细胞谱系：周细胞（RGS5、MCAM、CSPG4）和平滑肌细胞（高MYH11、DES）。
正常间皮细胞：MSLN、UPK3B、KRT19。
潜在造血来源祖细胞：保留可检测的PTPRC（CD45）。
第三级：定义CAF身份和功能极化
CAF身份确认：PDGFRA表达是基础成纤维细胞身份标志——正常时静息普遍成纤维细胞（PI16⁺/DPT⁺）是主要PDGFRA⁺细胞，非成纤维祖细胞（间皮细胞、壁细胞）通常PDGFRA阴性，但在肿瘤环境中可获得PDGFRA表达；DCN和PDPN表达进一步支持CAF身份（但PDPN非CAF特异性）。
三大极化状态：
iCAFs：炎性细胞因子/趋化因子程序（IL-6、CXCL1、CXCL2），通常保留较高PDGFRA表达。
myCAFs：收缩性细胞骨架激活和ECM沉积（ACTA2、POSTN升高）。
apCAFs：MHC-II机制强力表达（HLA-DRA、CD74）。
FAP表达：可能标志着从普遍祖细胞向CAF分化的早期“预启动”状态；FAP⁺ CAFs可能是一个异质性群体，跨越祖细胞→iCAF/myCAF连续谱系，myCAFs表达最高。
第四级：情境特异性亚型
将广泛的CAF状态解析为特定生物学情境塑造的特化亚型。“情境”包含四个交叉轴线：起源组织/器官、局部空间微环境、疾病分期、扰动状态（治疗/实验干预）。
这些亚型应被理解为保守CAF表型的情境依赖性精化，而非完全独立的谱系。
myCAF亚型：
LRRC15⁺ myCAFs：最一致鉴定的亚型，高度激活、TGF-β驱动，与T细胞排斥和免疫逃逸相关。
CDKN2A⁺ myCAFs：衰老变体，具SASP表型，可能源于治疗损伤或长期激活后。
ANTXR1：更广泛的myCAF谱系标志物，捕获myCAF的动态谱系范围。
iCAF亚型：
LIF⁺和HGF⁺ iCAFs：最常注释的亚群，生长因子分泌谱不同。
CD10（MME）⁺ iCAFs（乳腺癌）：功能独特的炎性亚型，高IL-6/IL-8分泌，为癌症干细胞提供生存微环境，促进化疗耐药。
apCAF亚型：
CD24⁺ apCAFs：与间皮样细胞相关，参与调节性T细胞诱导。
CD52⁺ apCAFs：可能造血起源，表达补体基因，与淋巴结构形成相关。
在低分辨率数据集中，这两群可能共聚类为一个apCAF组，掩盖其起源差异。
分析点6、CAF空间组织模式
CAF表型受四类空间模式化输入塑造：可扩散信号梯度、接触依赖性信号、组织力学/ECM结构、代谢条件。
提出“空间原型”概念：指CAF定位、相互作用和微环境关联的重复性空间组织与功能模式，代表更高阶组织模式而非僵化分类，可包含多种CAF状态和邻域结构。
原型A（肿瘤-基质界面/促结缔组织增生边缘）
位置：肿瘤-基质界面，恶性肿瘤细胞、成纤维细胞、免疫细胞和ECM在此组装。
主导程序：myCAF样、基质重塑、收缩性程序（ACTA2、TAGLN、MYL9、COL1A1/2、FN1、POSTN、TNC；部分含LRRC15/COL11A1/COL12A1）。
功能：形成结构/力学/信号屏障，增加肿瘤-免疫分离；T细胞沿纤维迁移但被引导环绕而非进入肿瘤岛。
核心调控因子：TGF-β——驱动LRRC15⁺ myCAFs，抑制CD8⁺ T细胞，削弱抗PD-L1应答；在乳腺癌中位于肿瘤巢与近瘤区室交界处。
非统一促瘤：HCC中边缘伤口愈合区室（基底膜ECM）具肿瘤抑制作用，而瘤内炎性FAP⁺区室与更差结局相关。
原型B（肿瘤远端炎性基质/髓系细胞丰富区室）
位置：远离肿瘤巢的基质区域，常与髓系细胞丰富区域共定位（PDAC经典模型）。
调控原则：IL-1和JAK/STAT主导的炎性信号将远端成纤维细胞重编程为iCAF样状态；CAF表型受可扩散细胞因子与接触/力学输入之间动态平衡的空间调控。
特征分子：表达CXCL1/2/8、CCL2、IL-6、LIF，招募巨噬细胞和中性粒细胞样群体，以癌症类型依赖方式维持免疫抑制或促肿瘤髓系状态。
功能：建立炎性旁分泌回路——CAF来源IL-6/LIF激活癌细胞JAK/STAT支持应激下存活；CD10⁺GPR77⁺CAFs维持癌症干性和化疗耐药；直肠癌放化疗诱导iCAFs产生促存活分泌组。
与原型的协同：原型A建立肿瘤结构边缘，原型B延伸炎性/髓系/应激适应性信号，共同维持免疫排斥TME并促进治疗耐药。
原型C（血管周围间充质区室/CAF-壁细胞连续谱）
位置：围绕微血管和血管壁，成纤维细胞样状态常与壁细胞（周细胞、血管SMC）重叠。
挑战：ACTA2/PDGFRB/DES高表达细胞可能为壁细胞而非CAF，需通过谱系标志物+血管邻近度+组织形态学进行区分。
功能生态系统：内皮细胞、壁细胞、CAFs交换PDGF、TGF-β、血管生成、炎性和ECM重塑信号；调控血管完整性/灌注、免疫运输、缺氧和药物可及性。
临床关联：乳腺癌vCAF状态在进展中扩增，与转移风险增加相关；肺癌周细胞可产生CCL19⁺FRCs支持淋巴结构；血管相关基质读段可能提供比通用CAF特征更具信息性的生物标志物。
原型D（免疫邻近的抗原呈递基质）
位置：淋巴细胞丰富基质区域（淋巴聚集物、TLS邻近区域），特征为MHC-II抗原呈递机制参与（IFN-γ-CIITA轴）。
功能取决于空间排列和细胞起源：
CD52⁺ apCAFs（肺）：通过原位抗原呈递+C1q-C1qbp支持CD4⁺ T细胞免疫；扰动MHC-II或C1q损害抗肿瘤免疫。
CD52⁺ apCAFs（胃）：富集于TLS附近，促进T细胞活化/细胞毒性、促炎巨噬细胞极化，与免疫应答特征相关。
CD24⁺ apCAFs（间皮起源，PDAC）：位于浆膜界面癌细胞与免疫细胞之间，利用MHC-II促进CD4⁺ T细胞向Tregs转化。
治疗诱导（NSCLC）：IFN-γ驱动apCAF样状态在纤维化热点扩增，与CD4⁺ T细胞功能受损相关。
总体：情境性免疫-基质界面，受局部干扰素基调、谱系起源和周围免疫结构塑造。
原型E（侵袭前沿/前沿基质重塑CAFs）
位置：侵袭前沿、肿瘤出芽区、沿排列的ECM束（肿瘤播散结构通道）。
与原型A区别：非边界限制，而是前沿处的主动重塑——myCAFs与侵袭性癌细胞共定位，通过力介导重塑、蛋白酶活性和基质重组产生迁移许可微环境。
机制：CAFs通过收缩性和牵引力将纤连蛋白排列成各向异性基质，直接促进癌细胞定向迁移。
力学反馈环路（乳腺癌）：基质硬化激活CAF中YAP依赖的periostin产生，促进胶原交联和集体侵袭，与高胶原丰度耦合时增加转移复发风险。
原型F（转移前和转移性基质）
特点：并非简单镜像原发CAFs，而是建立在靶器官天然间充质结构之上，受肿瘤系统性信号、炎性回路和局部免疫-血管相互作用重塑。
分期模型：器官驻留成纤维细胞→先在转移前预启动→随后多样化为MAF状态→协调纤维化、免疫抑制和转移性生长。
预启动证据：
肺：COX-2⁺外膜成纤维细胞通过PGE2驱动DC功能障碍和抑制性单核细胞，形成转移许可微环境；Ptgs2缺失减少转移并改善免疫治疗应答。
肺：乳腺癌来源Activin A诱导肺成纤维细胞促纤维化程序和胶原沉积；靶向Activin A减轻肺转移。
已建立转移灶：
PDAC肝转移：巨噬细胞-成纤维细胞JAK/STAT驱动免疫调节myCAFs，促进肿瘤生长和免疫抑制。
结直肠癌肝转移：VCAN⁺ CAF + myCAF + SPP1⁺巨噬细胞在纤维化区域共定位，形成支持转移生长的邻域。