樊嘉院士Science｜时空多组学

编辑导读

转移指肿瘤细胞脱离原发灶、扩散至远处器官的过程。肿瘤细胞如何在远端器官定植并增殖，其分子机制尚不清晰。本研究以肝癌小鼠模型与人类肝癌转移样本为研究对象，利用时空多组学技术全程追踪肝癌细胞在肺内从初始定植到形成转移灶的完整演化过程。研究鉴定出１类瞬时静息型Phgdh高表达肿瘤细胞亚群，该亚群通过构建免疫抑制微环境逃避免疫清除；转移灶大规模增殖前，CX3CR1高表达间质巨噬细胞会在微环境内大量聚集，形成利于肿瘤生长的许可型微环境。干预上述２条通路可重建机体免疫监视、显著抑制肿瘤转移。—Priscilla N. Kelly

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#时空多组学 #空间转录组 #肿瘤转移 #播散肿瘤细胞 #一碳代谢 #表观遗传沉默 #间质巨噬细胞 #肿瘤微环境 #免疫逃逸 #微小转移灶 #单细胞测序

时空多组学技术揭示肿瘤转移全过程的微生态动态变化

扩散至肺部的肿瘤细胞首先进入中性粒细胞富集微环境，并遭遇固有免疫清除。少数存活肿瘤细胞停留于PHGDH、H3K27me3表达升高、趋化因子表达下调的免疫匮乏微环境，维持静息状态。后续肿瘤分泌CX3CL1招募CX3CR1高表达间质巨噬细胞，重塑微环境并重启肿瘤转移增殖；继而形成适应性免疫炎性微环境，肿瘤增殖与免疫逃逸能力同步增强，最终发展为大型转移灶。DC：树突状细胞。

引言

转移是肿瘤患者死亡的首要原因，但播散肿瘤细胞在远端器官定植的早期关键事件仍未阐明，该阶段直接决定播散细胞存活与后续转移发生。绝大多数播散肿瘤细胞进入次级器官后会被清除，仅少数具备抗应激能力的细胞存活并发展为致死性转移灶。临床组织样本中这类稀有、瞬时存在的细胞群体难以捕获，播散肿瘤细胞逃避免疫监视、重塑局部微环境的精确分子机制仍存在大量空白。本研究利用多模态时空多组学技术，在小鼠肝癌肺转移模型中全程追踪播散肿瘤细胞与动态微环境，并结合人类临床转移样本验证，系统解析转移定植全过程的细胞、分子时序动态。

思路

为解析肿瘤早期定植阶段细胞与分子动态，本研究构建多模态时空综合图谱。整合高分辨率空间转录组（Stereo-seq）、单细胞RNA测序、单细胞核染色质可及性测序（snATAC-seq），在小鼠肺转移模型中追踪9个连续时间点的播散肿瘤细胞及其动态微环境；同时利用人类肝癌转移样本验证全部结论。该技术体系可高分辨率解析肿瘤细胞与宿主免疫微环境的协同演化规律。

结果

本研究分析表明，肿瘤转移定植并非随机过程，而是肿瘤微生态高度有序的时空演化过程。大量中性粒细胞与自然杀伤（NK）细胞介导大规模固有免疫清除后，仅有少量播散肿瘤细胞（DTC）进入瞬时静息的PHGDH高表达状态并存活，同时构建免疫匮乏微环境。谱系示踪实验证实，绝大多数致死性大转移灶均起源于曾短暂激活PHGDH高表达状态的肿瘤前体细胞。机制层面，存活肿瘤细胞的微环境内瞬时富集肺泡2型（AT2）细胞，这类细胞可主动诱导肿瘤细胞进入PHGDH高表达状态；PHGDH活性升高会促进一碳代谢通量、提升S-腺苷甲硫氨酸（SAM）含量，该代谢重编程通过组蛋白H3K27三甲基化（H3K27me3）介导促炎趋化因子基因（如Ccl2、Cxcl10）发生表观沉默。关键的是，通过药物干预或基因操作阻断该调控轴，可恢复趋化因子表达、重启机体免疫监视，显著抑制肿瘤转移灶增殖。在大规模转移灶形成前，播散肿瘤微环境发生第２次重塑，核心特征为CX3CR1高表达间质巨噬细胞大量累积；这类巨噬细胞可招募调节性T细胞、中性粒细胞、肺泡巨噬等免疫抑制细胞，并通过IGF1-IGF1R信号轴提供生长信号，驱动播散肿瘤细胞由静息态转为快速增殖态；清除CX3CR1高表达间质巨噬细胞可大幅降低肿瘤转移负荷。

多模态多组学绘制肿瘤转移时空全景图谱

图1肿瘤早期定植时空单细胞与空间多组学全景图谱

(A) 整体研究设计示意图：8周龄C57BL/6J小鼠分为对照组、Hepa1-6肝癌细胞尾静脉注射转移组；注射后15分钟、1h、4h、12h、24h、2d、8d、21d、35d共9个时间点收取肺组织，分别开展Stereo-seq、单细胞RNA测序、单细胞核ATAC测序、免疫组化与多重免疫荧光；同步收集人类肝癌肺转移样本用于单细胞测序、免疫组化、空间转录组。TME =肿瘤微环境；KD =基因敲低。

(B) 基于Monocle3算法推导肿瘤细胞伪时间轨迹：左图肿瘤细胞UMAP伪时间分群；中图4阶段肿瘤细胞分型；右图样本对应时间点分布。

(C) Stereo-seq定义播散肿瘤细胞微环境单元示意图：单个肿瘤细胞周边2层10×10μm bin区域，形成50×50μm微环境区块，对比随机非肿瘤区域免疫浸润差异。

(D) 微环境单元UMAP图：左图按聚类分色，右图按取样时间点上色。

(E) 左图：4阶段肿瘤细胞全基因表达热图；中图：桑基图展示各阶段肿瘤细胞对应微环境聚类；右图：微环境内各类细胞占比热图。

(F) 伪时间尺度下免疫细胞总占比（红）、适应性/固有免疫比值（深蓝）动态变化曲线。

(G) 上图：微环境内各类免疫细胞占比时序变化；下图：肿瘤细胞标志性模块得分时序变化。

(H) 肿瘤细胞4阶段与对应微环境特征总结示意图。

Phgdh高表达瞬时静息肿瘤细胞定位于免疫匮乏微环境

图2静息型PHGDH高表达肿瘤细胞定位于免疫匮乏微环境

(A) 不同时间点全部细胞中肿瘤细胞占比（蓝线）、肿瘤细胞内第3阶段细胞占比（红色柱状），误差为均值标准误。

(B) 第3阶段对比其余阶段肿瘤细胞差异基因火山图，红色上调、蓝色下调。

(C) 第3阶段上调、下调基因通路富集分析（超几何检验）。

(D) 第3阶段肿瘤微环境与随机区域免疫细胞占比箱线对比。

(E) T5时间点肿瘤微环境与对照区域免疫细胞密度定量。

(F) T5小鼠肺组织Ki67、PHGDH多重免疫荧光典型图，比例尺20μm；右侧柱状图统计Ki67阳性肿瘤细胞数量。

(G) PHGDH阳性/阴性肿瘤细胞周边50μm范围内CD45免疫细胞计数柱状图。

(H) 自发肝癌H22细胞肺转移小鼠模型构建示意图。

(I) 原发瘤、微小转移、大转移灶内PHGDH阳性细胞多重荧光成像。

(J) 微小转移灶内PHGDH阳性/阴性肿瘤细胞周边免疫细胞染色图与定量统计。

(K) Phgdh双谱系示踪系统时序荧光图：T2仅基础mCherry信号；T6出现mOrange瞬时Phgdh激活信号、少量EGFP永久标记细胞；T8大转移灶以EGFP标记细胞为主。

(L) 时序细胞群体占比堆叠图。

(M) 人类肝癌淋巴结转移灶Ki67、PHGDH荧光图与定量。

(N) 多癌种转移单细胞数据集PHGDH高低表达细胞趋化因子小提琴图。

(O) 多类人类肿瘤淋巴结转移灶PHGDH表达H评分。

(P) 人类肿瘤微小转移灶PHGDH阳性/阴性细胞周边CD45细胞计数。

(Q) 肝癌转移患者PHGDH特征评分高低组Kaplan-Meier生存曲线，Log-rank检验统计显著性。

PHGDH通过阻碍免疫浸润促进肿瘤转移定植

图3PHGDH高表达肿瘤细胞通过抑制免疫浸润促进肿瘤转移定植

(A) 体内转移定植实验示意：将PHGDH敲低、PHGDH过表达及对照组小鼠肝癌细胞经尾静脉分别注射至免疫健全、免疫缺陷小鼠体内。

(B) 多重免疫荧光典型图像，展示PHGDH敲除、野生型肿瘤细胞与CD45阳性免疫细胞的空间分布关系；比例尺20微米。

(C) C57BL/6J小鼠T5（24小时）肺微小转移灶中，PHGDH敲除、野生型Hepa 1-6肿瘤细胞周边50微米范围内CD45阳性细胞定量统计；每个点代表单只小鼠完整肺切片，每组n=10只小鼠。

(D) 注射PHGDH敲除、野生型Hepa 1-6细胞的C57BL/6J小鼠，T9（35天）肺大转移灶免疫细胞免疫组化典型染色图；比例尺20微米。

(E) 上述小鼠肺大转移灶内各类免疫细胞定量统计（对应图D，每组n=6只小鼠）。

(F) 注射不同基因修饰肝癌细胞的免疫健全、免疫缺陷小鼠体内转移负荷定量（每组n=6只小鼠）。

(G) 转染空载体、PHGDH干扰RNA的Hepa 1-6细胞注射小鼠后，肺部转移结节数量统计（每组n=6）。

(H) 原位肝癌BALB/c小鼠注射PHGDH敲除、野生型H22细胞3周后的体内生物发光成像（左图）与总荧光信号定量（右图），每组n=6。

(I) 上述原位肝癌小鼠体内循环肿瘤细胞计数（每组n=6）。

(J) 原位肝癌小鼠注射PHGDH敲除、野生型H22细胞5周后的生物发光成像（左）与肺部转移灶数量统计（右），每组n=6。

(K) 免疫细胞-肿瘤细胞共培养实验示意图；不同基因修饰Hepa 1-6细胞共培养体系中，肿瘤浸润T细胞、自然杀伤细胞迁移率统计，每组3个生物学重复。

图C、E至J采用威尔科克森检验；图K采用单侧t检验。P<0.05；P<0.01；P<0.001。

PHGDH通过表观沉默趋化因子转录，形成免疫抑制型转移微环境

图4PHGDH通过表观沉默趋化因子基因转录，构建免疫匮乏微环境

(A) 第3阶段肿瘤细胞标记基因表达、趋化因子靶向转录因子调控子活性、炎症通路模块得分3者间相关性；圆点大小代表统计学显著性，颜色代表相关强度。

(B) PHGDH敲低、对照Huh7细胞，以及PHGDH过表达、对照Huh7细胞中趋化因子与转录因子相对表达量对比（每组3个生物学重复）。

(C) 丝氨酸/甘氨酸生物合成与一碳代谢通路示意图，红色标注关键酶与代谢物。

(D) PHGDH敲除、PHGDH过表达肿瘤细胞内丝氨酸-甲硫氨酸类代谢物浓度（每组4个生物学重复）。

(E) 小鼠肺微小转移灶、人类肝癌淋巴结分离肿瘤细胞中PHGDH⁺H3K27me3⁺与PHGDH⁺H3K27me3⁻细胞计数（小鼠每组统计完整肺切片n=10；人类样本n=10）。

(F) 蛋白免疫印迹图：展示经/不经DZNep处理的PHGDH过表达、对照组Huh7细胞的H3K27me3蛋白水平。

(G) 箱线图：对比不同时间点肿瘤细胞的H3K27me3修饰片段数量。

(H) T5时间点肿瘤细胞内高H3K27me3修饰基因的通路富集分析，加粗条目为免疫相关通路，采用超几何检验判定显著性。

(I) T1、T5、T9三个时间点播散肿瘤细胞中趋化因子基因座的H3K27me3修饰水平。

(J) PHGDH敲除与野生型Hepa 1-6细胞趋化因子基因座的H3K27me3修饰、染色质可及性图谱，红色条标注峰区域。

(K) PHGDH敲除、野生型、DZNep处理野生型Hepa 1-6细胞；以及PHGDH过表达、DZNep处理过表达、对照组Hepa 1-6与Huh7细胞上清中CCL2、CXCL2、CXCL10分泌蛋白定量（每组3个生物学重复）。

(L) 经/不经DZNep干预的体内免疫浸润实验示意图。

(M) 尾静脉注射PHGDH敲除、野生型、DZNep处理野生型Hepa 1-6细胞的C57BL/6J小鼠，肺微小转移灶内各类免疫细胞定量统计（每组n=6）。

(N) 上述各组小鼠体内播散肿瘤细胞数量统计（每组n=6）。

(O) 经/不经DZNep干预的体内肿瘤定植转移实验示意图。

(P) 免疫健全、免疫缺陷小鼠中，不同基因修饰Hepa 1-6、H22细胞在有无DZNep处理下形成的大转移灶数目（每组n=5）。

图(I)(K)采用单侧威尔科克森检验；图(G)(M)(N)(P)采用双侧威尔科克森检验；图(A)(B单侧)(D)(E)采用t检验。P<0.05；P<0.01；P<0.001。

CX3CR1高表达间质巨噬细胞构建转移增殖前置微环境

图5CX3CR1高表达间质巨噬细胞构建肿瘤增殖前置微环境

(A) 伪时间尺度下免疫细胞、肿瘤细胞占比变化曲线；右图展示MMT（微小向大转移过渡）阶段与第3阶段微环境免疫细胞密度对比。

(B) MMT阶段微环境各类免疫细胞占比堆叠图。

(C) MMT阶段对比第2阶段间质巨噬细胞差异基因火山图，红色上调、蓝色下调。

(D) MMT与第2阶段间质巨噬细胞M1/M2模块得分比值箱线。

(E) 微环境内肿瘤细胞、各类免疫细胞平均Cx3cl1表达量。

(F) Cx3cl1敲除/野生肿瘤细胞诱导间质巨噬细胞迁移实验示意图与迁移率柱状图。

(G) Cx3cl1敲除、野生细胞小鼠转移负荷定量。

(H) 不同阶段微环境趋化因子-受体互作气泡图，气泡大小代表互作占比，颜色代表互作得分。

(I) 间质巨噬细胞表达趋化因子、对应免疫细胞受体表达热图，圆点大小为细胞表达占比。

(J) 调节性T细胞、中性粒细胞、肺泡巨噬细胞与CX3CR1阳性/阴性间质巨噬细胞共培养迁移率。

(K) MMT阶段给予CSF1R中和抗体干预动物实验示意图。

(L) T8肺组织各类免疫细胞定量。

(M) T8肿瘤转移负荷柱状图。

(N) MMT阶段过继回输CX3CR1阳性/阴性间质巨噬细胞实验流程。

(O) T8肺组织CX3CR1阳性/阴性巨噬细胞多重荧光染色图。

(P) 回输不同巨噬细胞组转移结节数量统计。

(Q) 间质巨噬细胞与肿瘤细胞关键配体-受体互作排名柱状图。

(R) 全单细胞数据Igf1基因表达分布。

(S) 共培养肿瘤细胞Ki67相对表达柱状图。

(T) IGF1中和/对照条件下肿瘤细胞增殖生长曲线。

(U) 经磷酸盐缓冲液（对照组）、间质巨噬细胞条件培养基、添加IGF1中和抗体的间质巨噬细胞条件培养基处理的Hepa 1-6肿瘤细胞相对增殖速率差异；数据展示5次独立实验的中位数与4分位距。

图C、D、F、G、J采用单侧威尔科克森检验，L、M、P、Q、T、U采用双侧威尔科克森检验。P<0.05，P<0.01，P<0.001。

结论

肿瘤转移定植先后发生２类时序有序的「微环境塑造」事件：

第❶阶段由表观调控驱动形成PHGDH高表达播散肿瘤细胞，抑制局部免疫微环境；

第❷阶段依靠CX3CR1高表达巨噬细胞重塑微环境，为肿瘤增殖提供适宜条件。本研究完整绘制了从肿瘤细胞定植到转移灶增殖全过程的肿瘤微生态时空图谱。研究鉴定出多种瞬时细胞状态与微环境，证明其属于时序特异性治疗靶点，为阻断肿瘤转移定植与后续增殖提供理论框架。

数据与代码

测序数据

本研究小鼠Stereo-seq、scRNA-seq、snATAC-seq、scCPA多组学原始处理数据存入国家基因库CNGB，入库编号CNP0005341

人类肝癌肺转移单细胞数据存储于国家生物信息中心OMIX数据库，编号OMIX005812

可视化数据库

小鼠时空多组交互查询平台STOmics DB

https://db.cngb.org/stomics/metahcc

肿瘤时空拓扑图谱COAST数据库

https://db.cngb.org/coast/dataset/COA0000008

完整分析代码

全部分析脚本、绘图代码、复现流程开源托管GitHub

https://github.com/liushang17/Lung_Metastasis

详细总结

思维导图

基础信息总览

小鼠时序采样梯度

体内功能验证

体内功能验证

参考

Science. 2026 Jul 30;393(6810):eadz7928. doi: 10.1126/science.adz7928.

Spatiotemporal multiomics uncover tumor ecosystem dynamics during metastatic colonization

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