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题目：Effect of the intratumoral microbiota on spatial and cellular heterogeneity in cancer
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2022年11月16日
通讯作者单位：弗雷德-哈钦森癌症中心
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05435-0
主要内容：
细菌经常出现在人类癌症中。使用最先进的方法进行肿瘤分析，捕捉空间信息和单细胞分子图谱，为澄清这些微生物的作用铺平了道路。
通过收集高度详细的肿瘤 "画像"，作者确定了肿瘤相关细菌的位置。这些发现揭示了这些细菌如何与肿瘤中的各种细胞类型相互作用。
癌症和围绕着它的相关成分，称为肿瘤微环境（TME），形成了一个由各种细胞组成的组织生态系统，包括免疫细胞，以及血管和细胞外基质等结构。这些成分中有许多会影响肿瘤的生长和肿瘤对治疗的反应，因此是一个快速增长的研究领域的焦点。然而，这些研究通常是以宿主为中心的，尽管诸如细菌、病毒和真菌等生物体（构成人类微生物组的微生物）已经在各种肿瘤的TME中被检测到。这些先前对瘤内微生物组的研究已经描述了其微生物的特征，揭示了其组织特异性，并指出微生物主要位于癌细胞和免疫细胞的细胞内。
在过去的十年中，关于人类微生物组如何影响肿瘤生物学的发现，导致瘤内细菌的存在被指定为癌症的一个标志。然而，我们对这些细菌的理解仍然是不成熟的。部分原因是缺乏对肿瘤微生物组的研究，无法准确地确定细菌在组织中的位置并揭示细胞的背景。Galeano Niño及其同事使用尖端的空间和单细胞研究方法来推进这种调查。
作者重点研究了两种类型的肿瘤--口腔鳞状细胞癌和结直肠癌，对于这两种肿瘤，已经描述了一些由微生物介导的促癌机制。Galeano Niño及其同事将11个人类结肠直肠肿瘤样本各分成4块组织，然后对这些组织进行了一种叫做16S核糖体DNA（rDNA）的分析。这表明，对于其中的7个肿瘤，微生物组在四个不同的部分中是异质的。作者使用了各种方法来探索这种细菌变化，并研究它与宿主的因素如何相关。
应用一种叫做RNAscope的技术，该技术允许对单个细胞中的RNA分子进行可视化，作者评估了特定细菌的分布，如Fusobacterium（一种被认为具有促进肿瘤作用的微生物），以及一般细菌在肿瘤切片中的分布。这些信息指导了对含有或缺乏细菌的组织区域的选择，所选区域是随后分析的重点。利用显微镜分析将这些区域进一步细分为主要由肿瘤细胞或主要由免疫细胞组成的区段。选定的区域还使用一种叫做GeoMX数字空间分析的技术进行分析。在这种方法中，77种抗体被用来检测与免疫细胞相关的蛋白、特定细胞类型的特征蛋白以及参与主要癌症相关信号通路的蛋白。为了捕捉组织基因表达剧目的全基因组图谱，作者使用了10X Visium空间转录组技术，该技术对RNA转录物进行剖析，同时保留了关于其空间位置的信息。
尽管GeoMX和10X Visium技术都能描述组织的微小切片（microniches），但它们不能达到单细胞水平的分辨率。作为朝这个方向迈出的一步，作者开发了一种RNA测序方法，他们称之为INVADEseq，它能对同一细胞中的人类转录物与细菌rDNA转录物一起进行测序。然而，这种方法需要将肿瘤分离成单细胞，因此失去了组织中基因表达的空间背景。然而，该技术提供了一个强大的细胞背景，因为它能检测出藏有细菌的细胞类型，识别细菌并对有无细菌的宿主细胞的转录谱进行采样。令人欣慰的是，INVADEseq发现，在口腔鳞状细胞癌和结直肠癌中，镰刀菌是最丰富的细菌类型之一，这一发现与以前的工作一致，证明在许多胃肠道的肿瘤中存在镰刀菌。
作者报告说，细菌的存在或不存在与癌细胞和免疫细胞的某些特征相关。至关重要的是，许多发现得到了多条证据的支持，加强了其有效性。研究人员发现，含有细菌的肿瘤区域通常比不含细菌的区域受到更多的免疫抑制。与免疫抑制有关的人类蛋白质，如PD-1和CTLA4，在富含细菌的肿瘤区域高度表达，而细胞增殖的标志，如蛋白质Ki67，则被耗尽，提供了免疫反应降低的另一个迹象。免疫细胞，如骨髓细胞（特别是巨噬细胞和中性粒细胞）在这些区域被优先发现，但可能具有抗癌活性的T细胞却很稀少。细菌在巨噬细胞中的存在与编码炎症和免疫信号蛋白的基因表达增加有关，如CXCL8，它是一种强有力的中性粒细胞吸引剂。
细菌在染色体数量异常的肿瘤细胞中比在染色体组成正常的细胞中更常见，这表明细菌可能对癌细胞的偏好超过了正常细胞。尽管窝藏细菌的癌细胞的基因表达谱是针对细菌的，但也出现了一些普遍的模式。这些包括抑制与增殖有关的基因，减少DNA修复基因的表达，以及提高与细胞迁移有关的基因的表达。这一发现让人联想到一种叫做癌细胞状态的增殖-迁移权衡的现象，这也是肿瘤异质性的另一个标志。
当作者进行功能性实验室测试时，其中一些观察结果得到了验证，从而支持了细菌对所研究的现象有因果作用的观点。作者研究了使用三维系统（生成称为癌症球状体的细胞组）生长的结直肠癌细胞，其中微环境中存在着中性粒细胞。用镰刀菌感染癌细胞导致癌细胞获得了更高的迁移能力，并显示出与增殖和DNA损伤修复有关的信号通路的活性降低。此外，被激活的中性粒细胞被招募到被感染的癌症球状体中。
Galeano Niño及其同事的研究让我们看到了肿瘤细菌是如何影响它们的微循环以及它们所居住的细胞的。研究结果表明，瘤内细菌起着至关重要的作用，加强了在该领域进行更多研究的必要性，并证明了这种工作的技术可行性。未来的研究应该调查比本研究更多的样本，探索更多的肿瘤类型，并可能利用其他技术的进步，对瘤内细菌进行更详细的分析，而不是依赖16S rDNA分析。也值得研究微生物组中除细菌以外的微观实体，如真菌和病毒。
在过去的二十年里，人们一直在努力推进癌症治疗中的 "精准治疗"，因为人们认为个性化的方法可能会导致临床反应的改善。然而，尽管在描述各种肿瘤的特征（如基因基础和免疫细胞群）方面取得了巨大的进展，但关于这些信息如何能够为治疗决策提供信息的不确定性是普遍的而不是例外。例如，这反映在使用分子生物标志物预测治疗结果的成功率有限，以及我们未能克服大多数耐药机制或控制肿瘤扩散。将重点从以宿主为中心的研究转移到对肿瘤微环境更全面的评估，可能会促进我们对癌症生物学的理解，并开辟有希望的临床研究途径。Galeano Niño及其同事的工作显示了瘤内细菌的潜在重要性，以及新技术如何能够帮助研究癌症生物学的这一令人着迷但仍大多研究不足的方面。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05435-0
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