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肿瘤疾病专题（一）
结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）是源自结肠或直肠上皮组织的恶性肿瘤，已成为全球范围内发病率第三、死亡率第二的癌症。据《Global Cancer Statistics 2020》报告，全球每年新发结直肠癌病例超过190万，死亡病例超过90万，严重威胁人类健康。中国是结直肠癌高发国家之一，近年来发病呈现明显的年轻化和区域差异特征，尤其在城市化、饮食西化背景下，发病率持续上升。
图1. 结直肠癌患者亚洲地区分布
结直肠癌的发展往往经历“腺瘤-癌”的演变，早期症状不典型，隐匿性极强，待出现明显消化道出血、肠梗阻等症状时，往往已处于中晚期。常规诊断方法如结肠镜检查、CEA检测和影像学手段在早期筛查、复发监测中存在灵敏度低、操作依赖强、创伤性大的问题。
图2. 结直肠癌发展的常规腺瘤-癌序列途径
临床环节 | 当前困境与挑战 |
早筛与诊断 | 缺乏高敏、非侵入性生物标志物； 临床易误诊为肠炎、痔疮等良性疾病； |
分型与分期 | 常规病理难以反映分子水平异质性； TNM分期无法预测免疫应答与预后； |
治疗决策 | 化疗敏感性差异显著，缺乏精准用药依据； 免疫治疗仅对MSI-H/dMMR患者有效，比例不足15%； |
复发与转移监测 | CEA等传统指标特异性不足； 转移灶往往在无症状期已广泛播散； |
临床实践表明，结直肠癌的生物学行为呈现高度异质性，其驱动机制涉及多种突变通路（如WNT、KRAS、TP53、PI3K）与免疫微环境调控，因此，仅依赖传统病理和影像学已难以满足临床需求。
如何在保持组织空间背景下理解肿瘤内在异质性？如何从一滴血或一份粪便中推测肿瘤状态？如何开发普适性强、成本可控的精准诊断工具？这些正是当前结直肠癌临床最紧迫的科学问题，也是新一代多组学技术力图破解的“临床卡点”。
从“拆解个体”到“还原全貌”，我们如何窥见肿瘤的多样性？
肿瘤并不是一团“同质的坏组织”，而是一种高度异质的“生态系统”——由癌细胞、免疫细胞、间质细胞等多种类型构成。正是这些细胞间复杂的互作，决定了肿瘤的演进路径与治疗应答。因此，传统组织切片的平均信号已远远无法满足精准医学的需求。
为了深入理解这种复杂性，科学家们正在借助两项革命性技术:
关键词：细胞分型、异质性、细胞状态追踪
单细胞RNA测序是一项以“拆解异质性”为目标的高分辨转录组技术，它通过对成千上万个细胞逐一进行RNA提取与表达谱分析，实现对复杂组织中不同细胞类型、亚群及状态的精确识别。其原理主要包括细胞分离、反转录建库、测序与下游分析四个步骤。其中，微流控平台（如10x Genomics Chromium）可高效地将单个细胞包裹于微滴中，配合带有唯一条形码的引物，实现每个细胞的RNA信息独立追踪。
该技术的核心优势在于：从“混合信号”中提取“个体语言”，能准确揭示肿瘤组织中不同癌细胞亚群的功能分化、干性特征、增殖状态及免疫细胞浸润的动态变化。与传统bulk RNA-seq相比，scRNA-seq不仅揭示了表达差异，更重构了细胞谱系轨迹，为肿瘤异质性、耐药机制及免疫治疗靶点的发现提供了全新的解析工具。
图3. 单细胞转录组测序的概述[1]。 (A)单细胞悬液制备以及微液滴的形成。(B)cDNA的扩增和(C)文库制备。(D)高通量测序，(E)数据分析。
关键词：空间结构、微环境定位、细胞互作
空间转录组测序是近年来发展迅速的“原位转录图谱”技术，它整合了组织病理与基因组学的优势，在不破坏组织空间结构的前提下，对局部区域的mRNA进行原位捕获与高通量测序。该技术通过在载玻片表面预先排布带有空间条形码的捕获探针，组织切片铺设其上后，组织中的mRNA可原位与探针结合并反转录建库，最终实现“基因表达×空间坐标”的联合信息采集。
空间转录组的最大优势在于：它保留了细胞的“位置信息”，可在组织原貌中精确识别肿瘤核心、浸润前沿、坏死区等功能区域的表达差异，弥补了单细胞测序在空间解析方面的不足。特别是在异质性强、组织结构复杂的实体瘤（如结直肠癌）中，ST技术可揭示“哪里”发生了“什么样的转录变化”，为肿瘤的空间分型、转移机制、免疫微环境重建等研究提供关键支撑。这两项技术从细胞层面（scRNA-seq）与空间层面（ST）互为补充，共同构建出一个“结构+功能+位置”的全景式肿瘤图谱。
图4. 空间转录组Stereo-seq技术流程
2025年6月，由10x Genomics团队主导，联合Michelli Faria de Oliveira、Juan Pablo Romero等多国科学家，首次在《Nature Genetics》发布了一项重大研究成果：借助最新一代Visium HD空间转录组平台，在单细胞尺度上绘制了人类结直肠癌免疫微环境的空间分布图谱，并结合scRNA-seq与Xenium原位验证技术，深入解析了肿瘤边界关键免疫细胞的空间协同机制[2]。
研究团队构建了一个“空间-单细胞-原位”多维联合分析框架：
1. Visium HD（空间分辨率8μm）实现了FFPE样本的全转录组空间表达图谱；
2. 单细胞RNA测序构建了26万细胞的高质量细胞图谱作为注释参考；
3. Xenium原位技术用于验证关键细胞类型与基因表达的空间共定位；
在分析策略上，研究聚焦于肿瘤边界50μm范围内的微环境区域，并对来自5位结直肠癌患者（覆盖II–IV期及不同结肠部位）的FFPE样本进行深入解析。
研究团队利用 Visium HD 高分辨空间转录组技术，首次在结直肠癌组织中实现了单细胞尺度的全景绘制。
在三例患者样本中（P1CRC、P2CRC、P5CRC），研究者通过整合单细胞转录组数据和组织切片图像，精确标定了上皮细胞、免疫细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞等多种细胞类型的空间位置。
结果显示，不同细胞群在组织中呈现出高度有序的空间结构：
1.T细胞多聚集在肿瘤边缘，形成免疫包围圈；
2.癌相关成纤维细胞（CAFs）环绕于肿瘤外层，可能参与基质重塑；
3.肿瘤细胞与上皮细胞区明显分界，基因表达特征差异显著。
图5. Visium HD对CRC样品进行空间映射
此外，经典标记基因PIGR、CEACAM6、COL1A1的空间分布验证了Visium HD的准确性，使得研究者能够“看见”组织中每个细胞群的真实位置。
这张“空间细胞地图”为揭示肿瘤免疫微环境的复杂生态奠定了基础，也标志着癌症研究正式进入微米级精准定位时代。
Visium HD揭示：巨噬细胞是肿瘤边缘最富集的免疫细胞类型，其中可进一步划分为两种具有互补功能特征与空间位置的亚群：
1. SELENOP+ 巨噬细胞：位于肿瘤外缘或间质区，富集炎症反应、NF-κB与细胞凋亡相关通路，或具有免疫调节作用；
2. SPP1+ 巨噬细胞：紧贴肿瘤核心边界，关联凝血、胆固醇代谢及KRAS信号上调，可能推动肿瘤生长与迁移。
图6. CRC切片中肿瘤外周的细胞组成
两类巨噬细胞在空间上互不重叠，形成了明确的功能分工。
这种“免疫细胞地形差异”提示：肿瘤边界并非单一战场，而是由多种免疫亚群共同塑造的动态生态系统。理解这种空间分布，不仅有助于揭示肿瘤免疫逃逸机制，也为开发针对性免疫疗法提供了全新视角。
尽管结直肠癌整体肿瘤微环境呈现免疫抑制态势，但研究团队通过Visium HD与Xenium联动，在肿瘤边缘区域发现了令人振奋的“免疫活性孤岛”——克隆性扩增的CD8+ T细胞群体正潜伏于此，构建起抗肿瘤反应的“第一前哨”。
利用Visium HD 2μm原始分辨率数据与高精度细胞核分割算法相结合，研究者构建了基于核区域的基因表达矩阵，成功在50μm肿瘤边界内精确定位到TRAC+、CD3E+的CD8+ T细胞，并排除掉以往8μm bin中常见的“混合信号”干扰。
而更为关键的是，这些T细胞群体并非随机分布，而是高度克隆扩增：例如在样本P5CRC中，11%的T细胞共享一个特异TCR克隆型（TRAV38–TRBV4组合），显示出高度一致的抗原识别偏向，提示其可能正响应于肿瘤新抗原。
图7. TME中T细胞的空间定位
通过Xenium原位基因表达平台进一步验证发现，这些扩增的T细胞并非孤立存在，而是紧邻于表达CXCL9、CXCL10、CXCL11等T细胞趋化因子的“炎性微灶”中，并与STAB1+巨噬细胞、B细胞和血管内皮细胞协同分布，构成一个紧凑而高效的免疫前沿阵地。
与此同时，Visium HD对Xenium面板未覆盖的基因（如SELENOP、JCHAIN）进行了补充揭示：
1. SELENOP+巨噬细胞定位于CXCL家族高表达区域，并协同表达C1QC、TGFBI等调控信号；
2. JCHAIN+ B细胞则参与抗体产生及辅助T细胞激活，为免疫级联反应提供补充支持；
3. CEACAM5+肿瘤细胞呈带状包裹T细胞分布区域，提示免疫系统正在“围猎”肿瘤核心。
图8. Xenium In Situ证实了巨噬细胞亚型和克隆扩增的T细胞在TME中的存在和定位
在结直肠癌这一异质性高度复杂的实体瘤中，传统的组织块分析或单细胞转录组虽然揭示了细胞类型与功能，但始终难以还原细胞在组织原位状态下的相互关系与生态位置。本研究中，Visium HD 和 Xenium 原位测序的联合应用，首次在空间尺度上重建了免疫细胞与肿瘤细胞的互动图谱，将“谁在说话”与“他们在哪里”这两个关键科学问题深度联通。
尤其值得关注的是，该研究不仅技术路线先进，更在样本选择、空间定位精度、下游分析框架上体现出系统性：
1. Visium HD 提供亚细胞级空间分辨率（2-8 μm），适配FFPE临床样本，打破了过去只能用冷冻组织开展空间分析的局限；
2. Xenium原位验证补全了空间表达通量限制，在20μm区域内高通量识别多个关键mRNA靶点；
3. 创新性聚焦肿瘤边界50 μm免疫区域，揭示了潜藏于免疫抑制背景下的“激活前哨”微生态。
这种空间+功能+克隆性的多维解读框架，开启了肿瘤微环境研究的新范式，推动我们从“整体平均”视角，迈入真正的“局部精准”时代。
随着空间转录组和原位检测平台的技术成熟，我们对肿瘤组织的理解将不再停留在细胞类型的鉴定层面，而是转向“细胞-细胞-空间”三维网络的解析。未来在结直肠癌及其他实体瘤中，Visium HD与Xenium技术的联合应用有望在以下几方面持续释放潜力：
1. 靶点开发：依据空间免疫活性岛、克隆性T细胞灶分布，筛选空间依赖性免疫干预靶点；
2. 空间分型：基于边缘/核心区域的异质性构建空间驱动的分子亚型，为风险分层与治疗分区提供依据；
3. 治疗应答预测：结合空间T细胞功能状态，评估PD-1、TGF-β、CSF1R等靶向策略的潜在受益区域；
临床样本推广：实现对FFPE样本的空间组学扫描，推动空间转录组大规模临床队列研究落地。
[1] Jovic D, Liang X, Zeng H, Lin L, Xu F, Luo Y. Single-cell RNA sequencing technologies and applications: A brief overview. Clin Transl Med. 2022; 12:e694. https://doi.org/10.1002/ctm2.694 .
[2] Oliveira, M.F.d., Romero, J.P., Chung, M. et al. High-definition spatial transcriptomic profiling of immune cell populations in colorectal cancer. Nat Genet 57, 1512-1523 (2025). https://doi.org/10.1038/s41588-025-02193-3
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