单细胞与空间分析揭示结直肠癌中FAP+成纤维细胞与SPP1+巨噬细胞的相互作用

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Youqiong Ye和Bing Su，来自上海交通大学医学院免疫学研究所、上海交通大学医学院-耶鲁大学免疫代谢研究所等多家机构。研究团队由多位跨学科专家组成，包括免疫学、肿瘤学、生物信息学等领域的学者。该研究于2022年发表在*Nature Communications*期刊，标题为“Single-cell and spatial analysis reveal interaction of FAP+ fibroblasts and SPP1+ macrophages in colorectal cancer”。

学术背景
结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）是全球第三大常见恶性肿瘤，每年导致约80万例死亡。尽管免疫检查点阻断（Immune Checkpoint Blockade, ICB）疗法在黑色素瘤和肺癌中取得显著成功，但在CRC中的疗效有限，仅对少数微卫星不稳定性高（MSI-H）的病例有效。肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）的异质性是影响免疫治疗响应的重要因素，尤其是间质细胞（如成纤维细胞）和髓系细胞（如巨噬细胞）的相互作用可能通过形成免疫排斥性结构限制T细胞浸润。然而，这些细胞亚群的具体特征及其在TME中的调控机制尚不明确。本研究旨在通过单细胞和空间转录组技术，解析CRC中FAP+成纤维细胞与SPP1+巨噬细胞的相互作用及其对免疫治疗抵抗的影响。

研究流程
1. 样本收集与单细胞测序
- 研究对象：5例非转移性CRC患者的肿瘤组织及癌旁正常组织（2例结肠腺癌，3例直肠腺癌）。
- 样本处理：组织经酶解（胶原酶VIII和DNase I）和机械分离后，通过10x Genomics平台进行单细胞RNA测序（scRNA-seq），共获得54,103个细胞的转录组数据（肿瘤24,622个，癌旁29,481个）。
- 数据分析：使用Seurat进行细胞聚类，Harmony算法校正批次效应，UMAP降维可视化。

1. 细胞亚群鉴定与功能分析

   • 细胞类型注释：基于已知标志基因，将细胞分为9大类（上皮细胞、T/ILC细胞、B细胞、浆细胞、髓系细胞、肥大细胞、内皮细胞、间质干细胞、胶质细胞），并进一步细分58个亚群。
     
   • 关键亚群聚焦：
     
     • FAP+成纤维细胞：高表达FAP、MMP1/3，参与细胞外基质（ECM）重塑，通过RNA velocity分析推测其可能源自FGFR2+成纤维细胞或ICAM1+端细胞。
       
     • SPP1+巨噬细胞：高表达SPP1（骨桥蛋白）和MARCO，具有免疫抑制特性，可能由THBS1+巨噬细胞分化而来。
       

2. 空间转录组验证

   • 技术平台：10x Genomics Visium对4例CRC患者的肿瘤切片进行空间转录组分析（共14,252个spots）。
     
   • 结果：FAP+成纤维细胞与SPP1+巨噬细胞在空间上共定位，且共同富集于ECM相关通路（如胶原形成、TGF-β响应）。
     

3. 临床队列验证

   • 数据来源：TCGA-CRC队列及12个独立GEO数据集（共2,550例样本）。
     
   • 方法：通过CIBERSORTx算法推断细胞浸润比例，分析其与患者生存的关系。
     
   • 发现：FAP+成纤维细胞与SPP1+巨噬细胞浸润呈正相关（Spearman rs > 0.3），且高浸润组患者的总生存期（OS）和无进展生存期（PFS）显著缩短（log-rank p < 0.05）。
     

4. 分子机制探究

   • 配体-受体分析（NicheNet）：
     
     • FAP+成纤维细胞通过RARRES2（Chemerin）-CMKLR1轴促进SPP1+巨噬细胞分化。
       
     • SPP1+巨噬细胞通过分泌TGF-β1、IL-1α/β激活FAP+成纤维细胞，驱动ECM重塑（如COL1A1、MMP3上调）。
       
   • 免疫治疗队列（IMvigor210）：高FAP或SPP1表达患者对PD-L1抗体治疗响应率更低（CR/PR比例下降，PD比例升高）。
     

主要结果
1. 肿瘤特异性细胞亚群的鉴定：FAP+成纤维细胞和SPP1+巨噬细胞在CRC肿瘤组织中显著富集，且其浸润水平与不良预后相关。
2. 相互作用机制：两种细胞通过Chemerin-TGF-β/IL-1信号轴形成正反馈环路，促进ECM重塑和免疫排斥性TME。
3. 临床意义：高FAP/SPP1表达可作为免疫治疗抵抗的预测标志物，提示靶向该互作网络可能改善CRC免疫疗效。

结论与价值
本研究首次在单细胞和空间层面揭示了FAP+成纤维细胞与SPP1+巨噬细胞的协同作用，阐明了其通过ECM重塑促进免疫排斥的机制。科学价值在于填补了CRC微环境中基质-免疫细胞互作的认知空白；应用价值在于为联合靶向FAP/SPP1通路的新型免疫治疗策略提供了理论依据。

研究亮点
1. 技术创新：整合scRNA-seq与空间转录组，首次实现CRC微环境中细胞互作的空间定位。
2. 发现新颖性：鉴定出Chemerin-TGF-β/IL-1轴为调控免疫排斥的关键通路。
3. 临床转化潜力：提出FAP/SPP1作为免疫治疗耐药的双靶点，具有直接临床应用前景。

其他价值
研究还发现缺氧诱导的TWIST1和STAT1分别是FAP+成纤维细胞和SPP1+巨噬细胞的主调控因子，为靶向代谢-免疫交叉调控提供了新思路。