肺癌前病变演进机制的新视野：肺泡祖细胞与促炎微环境的协同进化
本研究由来自德克萨斯大学MD安德森癌症中心（UT MD Anderson Cancer Center）等众多机构的Fuduan Peng、Ansam Sinjab、Yibo Dai等众多学者（通讯作者为Linghua Wang与Humam Kadara）共同完成。该研究于2026年2月9日发表于顶级学术期刊《Cancer Cell》（第44卷，321-339页）。这是一项通过多模态空间组学技术，深入揭示肺腺癌（Lung Adenocarcinoma, LUAD）前体病变（如非典型腺瘤样增生Atypical Adenomatous Hyperplasia, AAH和原位腺癌Adenocarcinoma In Situ, AIS）向侵袭性癌演进过程中的细胞动态与微环境交互的原创性研究。
学术背景与研究目的 肺腺癌是最主要的肺癌组织学亚型，尽管临床治疗有所进展，但晚期患者死亡率依然很高。对肺癌前体病变（如AAH和AIS）如何进展为侵袭性癌的理解仍然有限，这阻碍了早期干预和风险分层策略的发展。既往研究表明，在正常组织向癌前病变再到侵袭性肺癌的连续谱系中存在分子和免疫层面的早期变化。然而，驱动这一过程的特定上皮-免疫细胞相互作用及其空间分布特性尚不明确。主要障碍在于，最早期的肺腺癌前体病变（如AAH）很少被手术切除，且通常较小，难以进行深入研究。近年来，空间多组学技术，特别是空间转录组学，革命性地提升了我们在分子精度下解析组织架构的能力。本研究的核心目标，正是构建一个跨越正常肺组织、前体病变和侵袭性肺腺癌的高分辨率空间图谱，以阐明驱动肺腺癌发生的关键细胞状态、克隆进化轨迹以及上皮-免疫微环境的动态变化，从而为肺癌的早期拦截提供新的靶点和策略。
详细研究流程 本研究采用了极其详尽和先进的多模态技术组合，对大量人类和小鼠样本进行了多层次分析，其流程可概括为以下几个主要阶段：
第一阶段：人类样本的多模态空间与单细胞图谱构建与初步分析。 研究团队首先对25名患者的56个组织样本（包括11个AAH、14个AIS、4个微浸润性腺癌Minimally Invasive Adenocarcinoma, MIA和26个LUAD）进行了基于Visium CytAssist平台的空间转录组学分析，共分析了486，519个组织点位。为了增强空间分辨率，研究者整合了来自其中23名患者的75个匹配样本（包括未受累的正常肺组织）的单核RNA测序数据，分析了总计401，635个细胞核。此外，还对一个包含19名患者、36个病变（总计188个组织点）的组织芯片进行了单细胞空间转录组学分析。在对空间转录组数据点进行严格的质量控制和病理注释后，研究揭示了不同病变阶段（AAH、AIS、MIA、LUAD）的独特基因表达模式。例如，前体病变点位高表达肺泡II型细胞标志物SFTPC，而侵袭性LUAD点位则高表达去分化标志物如KRT8和CEACAM5。
第二阶段：空间克隆结构与进化模式解析。 为了理解空间克隆异质性和进化轨迹，研究者应用SpatialInferCNV算法从Visium数据的上皮点位推断全基因组拷贝数变异，并重建了每位患者的克隆架构。通过与组织学特征和肿瘤特性的关联分析，他们将病例的克隆进化分为两大模式。模式1（包括1a和1b亚型）：前体病变与配对侵袭性病变共享克隆，其中1a型为前体克隆完全存在于侵袭癌中并新增亚克隆；1b型为部分克隆共享，同时存在阶段特异性克隆。模式2：前体与侵袭性病变间无共享克隆。分析显示，反应性II型肺泡上皮细胞（reactive type II pneumocytes, RPII）往往是早期克隆的富集区域。这些RPII在病理学上被认为是KRT8高表达的肺泡中间细胞在组织中的对应形态，可能扮演着肺腺癌祖细胞的角色。驱动突变分析显示，EGFR、KRAS和MET突变主要在模式1b病例中富集。
第三阶段：肺泡祖细胞的鉴定与特征刻画。 通过对单核RNA测序数据的深入分析（特别是139，663个上皮细胞核），研究团队确认了一个独特的KRT8高肺泡中间细胞亚群，并将其定义为KACs。轨迹分析和分化状态评估显示，KACs位于肺泡II型细胞与肿瘤细胞之间的过渡状态，表现出分化丢失和肿瘤相关转录程序的激活。通过非负矩阵分解分析，研究者从上皮细胞数据中定义了9个元程序。其中，MP2（肺泡程序）和MP5（肺泡I型程序）在正常组织中富集，而MP6（肿瘤/KAC程序）则在病变中显著升高。重要的是，空间分析将病理标注的RPII与snRNA-seq定义的KACs对应起来，证实RPII是KACs在组织原位上的病理学表现。这些RPII分布在病变周围区域，同时表达肺泡程序（MP2）和肿瘤/炎症程序（MP6， MP7），表明它们是早期偏离正常肺泡表型、向肿瘤发展的关键实体。
第四阶段：促炎微环境的识别与空间互作分析。 通路分析发现，促炎症相关通路在KACs中显著富集。从全部Visium数据点推导出的11个元程序中，研究者发现前体病变MP3与髓系细胞MP5（巨噬细胞）呈显著正相关。配体-受体相互作用分析揭示，IL1B-IL1R1信号轴是前体病变中最富集的互作对之一。与正常肺泡细胞相比，IL1R1在KACs和前体病变细胞中表达显著升高。同时，表达IL1B的巨噬细胞在早期病变中也更为丰富。空间分析在超像素分辨率下清晰地显示，IL1R1主要表达于前体病变区域，而IL1B则富集于病变内部及周围区域，二者在空间上紧密相邻，形成相互作用热点。单细胞空间转录组学（Xenium平台）分析进一步证实，KACs和AAH细胞周围存在大量高表达IL1B的巨噬细胞亚群，构成了明确的上皮-促炎微环境。这种微环境在由AAH、AIS和MIA组成的组织芯片分析中也得到验证，表明其在肺腺癌前体阶段更为普遍。
第五阶段：小鼠模型中的功能验证与机制探索。 为了在功能上验证人类研究发现，研究团队使用了GPRC5A基因敲除小鼠模型（该模型在烟草致癌物NNK暴露后易发生KRAS突变肺腺癌）。单细胞RNA测序分析证实，小鼠KACs同样高表达IL1R1和NF-κB通路相关基因。空间转录组分析显示，在肿瘤发生早期，RPII集落和早期病变被富含巨噬细胞的微环境所包围，且KAC特征信号与促炎症信号在这些区域高度共定位。配体-受体互作分析显示，IL1B-IL1R1信号从病变周围的巨噬细胞富集区密集地指向肿瘤核心。功能实验表明，重组IL-1β或与间质巨噬细胞共培养，能显著促进从小鼠肺泡II型细胞衍生的KRT8高类器官的生长和尺寸。此外，在Kras突变驱动的小鼠模型中，敲除上皮细胞的IL1R1能显著减少肿瘤发生和KRT8阳性细胞的数量。
第六阶段：治疗干预实验评估拦截潜力。 研究在NNK暴露的GPRC5A敲除小鼠中进行了治疗实验，设置了两个治疗窗口：一是在致癌物暴露后立即开始持续3个月的“早期预防”窗口；二是在暴露后3个月（早期病变已形成）开始持续4个月的“进展拦截”窗口。治疗方案包括抗IL-1β单药、抗PD-1单药以及两者联合。结果显示，在预防和拦截阶段，抗IL-1β在减小肺腺瘤和腺癌体积方面均比抗PD-1单药更有效。而联合治疗则产生了最强的肿瘤抑制效果，尤其是在拦截阶段。机制上，抗IL-1β治疗降低了支气管肺泡灌洗液中的多种促肿瘤炎症因子（如CCL3， IL33）。单细胞RNA测序分析显示，联合治疗组显著减少了KACs和肿瘤细胞的比例，同时增加了细胞毒性CD8+ T细胞和浆细胞的浸润。免疫荧光分析进一步证实，联合治疗不仅逆转了抗PD-1单药引起的巨噬细胞增多，还带来了最高水平的CD8+ T细胞浸润。
主要研究结果 1. 定义了肺腺癌演进中的克隆进化模式：研究揭示了患者个体间存在高度异质性的克隆进化路径（完全共享、部分共享、不共享），表明肺腺癌前体病变的演进并非单一模式。反应性II型肺泡上皮细胞（RPII）是早期克隆的常见栖息地。 2. 鉴定并空间定位了关键的肺泡祖细胞（KACs/RPII）：通过整合单细胞和空间数据，明确KRT8高肺泡中间细胞是肺腺癌的早期前体细胞，其在病理上对应为RPII。这些细胞位于肺泡II型细胞向肿瘤细胞发展的轨迹上，同时保有肺泡特征并激活肿瘤/炎症程序。 3. 发现了阶段特异性的上皮-促炎微环境：研究首次在空间分辨率上系统描绘了肺腺癌前体病变中存在一个由KACs/前体细胞（高表达IL1R1）和促炎性巨噬细胞（高表达IL1B）构成的特异性微环境。该微环境在前体病变阶段（AAH， AIS）比在侵袭性LUAD中更为普遍和活跃。 4. 揭示了IL-1β/IL1R1轴的关键驱动作用：该信号轴是前体阶段上皮-免疫互作的核心。功能实验证明，IL-1β信号能直接驱动KACs类器官的生长，而在小鼠模型中阻断该通路可以抑制肿瘤发生。 5. 提出了针对前体阶段的联合拦截策略：临床前实验证明，在癌前阶段（而非已形成肿瘤后）靶向IL-1β，特别是与PD-1免疫检查点阻断联合，能有效减少肺泡祖细胞、抑制肿瘤发生，并重塑免疫微环境（增加CD8+ T细胞）。
研究结论与意义 本研究通过构建高分辨率的空间多组学图谱，系统阐明了肺腺癌前体病变向侵袭性癌演进过程中，肺泡祖细胞（KACs/RPII）与促炎性免疫微环境（特别是IL1B高巨噬细胞）的协同进化关系。研究得出结论：上皮-促炎微环境是驱动肺腺癌起始的关键空间生态位，且具有明显的阶段特异性，在前体病变阶段最为活跃和普遍。这为理解肺癌的“场效应”和早期发生机制提供了全新的空间视角。
其科学价值在于：1）将肺泡祖细胞的生物学特性与其在组织中的空间定位和微环境互动结合起来，提供了更完整的肿瘤起始模型；2）揭示了炎症驱动肿瘤发生具有明确的时空窗口，挑战了泛泛而谈的“炎症促癌”观点；3）将克隆进化分析与细胞状态、空间微环境分析相结合，实现了基因型与表型的空间关联。
其应用价值与转化意义重大：1）为肺癌的早期检测和风险分层提供了潜在的生物标志物（如IL1R1+上皮细胞与IL1B+巨噬细胞的共定位）；2）提出了针对癌前病变的精准干预新策略，即靶向IL-1β等促炎信号，为肺癌化学预防开辟了新途径；3）解释了为何针对晚期肺癌患者的IL-1β抑制剂临床试验（如Canakinumab）未能显效，而用于心血管疾病的同类药物却能降低肺癌发病率（CANTOS试验），提示抗炎治疗的最佳时机可能在癌前阶段；4）证明了在癌前阶段联合靶向炎症和免疫检查点可能产生协同效应，为设计新型拦截疗法提供了临床前依据。
研究亮点 1. 技术方法的先进性与整合性：大规模整合了Visium空间转录组、单核RNA-seq、Xenium单细胞空间转录组、全外显子组测序以及小鼠模型的功能实验，构建了前所未有的肺腺癌前体病变空间多组学图谱。 2. 发现的关键性与原创性：首次在空间原位水平明确了肺泡祖细胞（KACs）作为肺腺癌最早前体细胞的地位，并发现了其赖以生存的、阶段特异性的促炎微环境，这是对肺癌发生学认识的重要深化。 3. 临床转化见解的深刻性：研究不仅停留在机制描述，更进一步通过严谨的小鼠干预实验，明确了靶向IL-1β信号在肺癌“拦截”而非“治疗”阶段的潜在价值，并对现有临床试验结果给出了合理解释，具有直接的转化医学指导意义。 4. 对“癌前病变”概念的拓展：研究提示，形态学改变轻微的RPII（肺泡祖细胞）可能代表了比传统定义的AAH/AIS更早的肺腺癌前体状态，拓宽了对“癌前”状态的理解。
其他有价值的内容 研究还观察到，KRAS突变病例的前体病变中，IL1B-IL1R1相互作用、NF-κB和干扰素信号通路的活性显著高于KRAS野生型病例，而在侵袭性LUAD中则呈现相反趋势。这提示KRAS突变可能与特定的炎症微环境在癌前阶段存在协同作用，为理解致癌基因与微环境的共进化提供了线索。此外，研究还发现了其他促炎细胞（如CCL2+， IL18+免疫细胞）和炎性癌症相关成纤维细胞在前体病变微环境中的富集，丰富了我们对早期肿瘤生态系统的认知。