单细胞和空间转录组测序揭示早发与晚发前列腺癌的异质性微环境与进展特征
背景介绍：年龄相关前列腺癌异质性与精准医疗新机遇
前列腺癌（Prostate Cancer, PCA）是全球男性中发病率第二高、癌症相关死亡率第五的恶性肿瘤。伴随全球人口老龄化及健康筛查推进，前列腺癌的发病年龄呈现多样化，早发型（Early-onset prostate cancer, EOPC，通常定义为55岁及以下男性发病）病例近年显著增加，且预后较差。因此，探索不同年龄起病前列腺癌之间的生物学差异，尤其是肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）构造与演变，对于实现年龄特异性的精准干预及个体化治疗具有重大意义。
临床观察显示，EOPC相较于晚发型（Late-onset prostate cancer, LOPC）不仅临床-病理表现差异明显，且预后生存水平更低。既往研究提示，这种异质性与随年龄变化的激素（如雄激素）水平波动和免疫活动息息相关。但迄今，在单细胞和空间分辨率层面，关于EOPC与LOPC发病及进展机制、微环境重塑方面的系统探索仍十分有限。传统高通量组学技术因为不能剖析空间和细胞类型层面的复杂性，限制了对微环境及其与肿瘤细胞互作动态的理解。本文研究团队正是针对该领域空白，带来首个系统性的“单细胞+空间”图谱，揭示两类前列腺癌在分子、细胞及空间层面的异质性及其临床意义。
论文来源与作者介绍
本项科研成果发表于Nature Aging（nature aging），卷5，2025年5月，第909–928页，DOI: 10.1038/s43587-025-00842-0。论文题为《single-cell and spatial rna sequencing identify divergent microenvironments and progression signatures in early- versus late-onset prostate cancer》。
论文第一作者为Yifei Cheng、Bingxin Liu、Junyi Xin，通讯作者包括Bin Xu、Mulong Du、Gong Cheng与Meilin Wang。研究团队分别来自东南大学、南京医科大学等单位。研究中所用临床样本、模型及数据分析均集中在中国医学高水平临床中心完成。
研究整体设计与技术路线
本研究是一个复杂的多步骤、跨尺度、交叉验证的系统原始科研。研究以“EOPC与LOPC肿瘤细胞及微环境的异质性解码”为主线，结合了单细胞RNA测序（scRNA-seq）、空间转录组测序（ST-seq）、大规模队列GWAS分析、蛋白水平多重免疫组化、流式细胞术、体内小鼠模型实验以及多中心临床数据复核，全方位刻画了两类肿瘤的细胞分类、空间结构、分子信号通路及关键细胞通讯。
1. 研究对象与样本处理
- 前列腺癌患者组织采集：入组10例侵袭性前列腺癌患者（4例EOPC，6例LOPC，均未治疗），共获得63,763个高质量单细胞用于下游分析。另设后续验证队列，并分别辅助以11例EOPC、20例LOPC FFPE样本支持。
- 空间转录组样本：选取EOPC和LOPC各1例肿瘤组织，采用10x Visium平台行空间转录组测序，系统定量肿瘤与微环境各类细胞分布与相互作用。
- 动物模型：建立8月龄（模拟年轻）及16月龄（模拟老年）C57BL/6小鼠原位肿瘤模型，区分未做与施行去势（模拟雄激素剥夺治疗）两组，验证细胞群动态及治疗响应。
2. 单细胞与空间转录组数据分析
- 单细胞数据流程：经历批次效应校正、细胞聚类、标记基因注释，初步区分8大类细胞——上皮、T细胞、B细胞、髓系细胞、肥大细胞、内皮、平滑肌、成纤维细胞；进一步综合CNV分析与分群技术，精细化上皮细胞亚群定义，鉴别恶性、正常及混合亚型。
- 空间转录组：通过单细胞数据“锚定”和去卷积，空间定位各细胞类型及亚群并进行聚类，明细不同肿瘤区域内细胞分布特点及空间依赖的信息交流。
- 算法与创新工具：应用InferCNV推断拷贝数变异，AUCell评估信号通路活性，NicheNet、CellPhoneDB等工具深入分析细胞-细胞通讯，SCFEA推算细胞代谢通量。大队列GWAS和meta分析用于基因集（gene set）的遗传学锚定及多组学整合。
3. 多种验证途径
- 蛋白验证：采用免疫组化（IHC）、多重免疫荧光（MIF）等技术，定量关键蛋白在不同分型肿瘤间的表达和细胞分布。
- 流式细胞术：机器定量分析EOPC/LOPC肿瘤组织中APOE+巨噬细胞与炎症成纤维细胞含量差异。
- 临床数据分析：调取TCGA等大型数据库，复核分子分型、生存数据、治疗响应关系。
主要研究发现与数据解析
一、EOPC与LOPC肿瘤微环境细胞组成截然不同
研究首先揭示，EOPC肿瘤内免疫细胞（如T细胞、髓系细胞）与血管平滑肌细胞显著丰富，呈现高度免疫活化和代谢重编程特征；而LOPC肿瘤表现为上皮及成纤维细胞明显增多。批量CNV分析确认肿瘤来源及细胞类型准确性，为后续分子分型奠定基础。
二、分子信号通路：EOPC突出雄激素应答、LOPC易获激素抵抗
利用GSEA和CancerSEA等数据库，发现EOPC恶性上皮细胞高度激活雄激素反应相关通路（如KLK3、NDRG1、ABCC4等基因高表达），同时伴随显著低氧、脂代谢及TNF-NF-κB信号共激活，肿瘤处于能量重编程与免疫微环境协同调控下。LOPC则更强调上皮-间质转化（EMT）及转移、耐药相关基因上调（CST1、TFF3等），匹配于癌变晚期、低敏感激素环境。
三、AR相关转录程序（AR-meta-program, AR-MP）界定分型核心
通过非负矩阵分解算法（NMF），鉴定出6个主要转录元程序（meta-programs），其中雄激素响应程序（AR-MP）成为分型核心。EOPC肿瘤中AR-MP显著上调，且与蛋白（KLK3、NYP、ERP60）水平一致；LOPC则以侵袭性EMT程序为主导。空间数据指出，EOPC肿瘤中AR-MP激活的肿瘤区域伴随髓系细胞（尤其APOE+巨噬细胞）高浸润，提示特殊分子微环境“共变”。
四、APOE+肿瘤相关巨噬细胞推动EOPC进展并诱导免疫抑制
细致解剖髓系细胞13类亚群后发现，APOE+肿瘤相关巨噬细胞（Tumor-associated macrophage，TAM）在EOPC极度丰富，兼具有M2极化、髓源性抑制细胞（MDSC）及脂质代谢重编程（脂肪酸分解、胆固醇代谢等）特征。这类APOE+ TAM空间上与AR-MP高表达肿瘤上皮区域共定位，通过FN1-integrin及EREG-EGFR等信号轴影响肿瘤生长及侵袭能力，并显著抑制T细胞效应（CD4+ T细胞免疫抑制增强）。相应地，APOE+ TAM分数升高关联疾病复发、进展及总体生存不良。
五、炎症型癌相关成纤维细胞（iCAF）驱动LOPC肿瘤EMT及耐药表型
LOPC肿瘤主要富集炎症型癌相关成纤维细胞（Inflammatory cancer-associated fibroblast, iCAF，定义为PDGFRA高/FAP高表达），其通过大量分泌骨形态发生蛋白（BMP4/5/7），介导BMPR信号及SMAD途径，强烈下调肿瘤AR-MP，显著激活EMT相关通路，塑造前列腺癌去分化、耐药、转移倾向。iCAF空间分析显示，其主要分布在肿瘤边缘并包裹AR-MP低表达肿瘤细胞，对局部微环境和肿瘤行为影响巨大。大队列复核证明iCAF富集与降解AR-MP、患者生存期缩短密切相关，iCAF相关BMP高表达也是预后不良标志。
六、老年/吸烟因素促进iCAF/EMT异常激活，诱发去势耐药表型
作者另一创新性发现为吸烟史、老龄化与iCAF分布、BMP分泌直接相关，能进一步促进肿瘤EMT及AR-MP下调，为LOPC肿瘤耐药（甚至预存去势抵抗CRPC细胞亚型）提供解释。单细胞及空间数据结合三大CRPC队列进一步佐证了iCAF、BMP高表达与临床去势抵抗确立的关系。
七、多重验证：动物模型与蛋白、流式分析全面支撑
小鼠原位肿瘤模型显示：青年鼠肿瘤（模拟EOPC）较老龄鼠更依赖雄激素，去势治疗对青年鼠抑瘤效果明显强于老鼠。AD去势后，青年鼠肿瘤AR-MP、高脂代谢、低氧相关特征显著下调，iCAF浸润增强，宏观肿瘤生长缓慢，佐证了分子机制与临床表现的紧密耦合。蛋白组学及流式结果进一步客观量化了APOE+ TAM与iCAF在EOPC/LOPC的丰度差异。多队列、meta分析数据对主要生物学特征进行强有力的复核，确保成果科学可信度。
研究结论、意义与展望
本研究首次绘制了EOPC与LOPC在单细胞及空间分辨率下的微环境全景图谱，完整提出“EOPC-APOE+ TAM驱动-雄激素高响应-代谢重编程-免疫抑制”与“LOPC-iCAF/BMP驱动-雄激素信号削弱-EMT-耐药预存”的两条肿瘤演进通路，为年龄相关前列腺癌分子分型、精准治疗及辅助干预提供了理论基础和实践路径。
科学价值上，该研究突破了前列腺癌异质性“黑盒”，揭示了年龄、免疫、间质成分与分子信号通路深层互作；应用价值上，为临床分层治疗指明方向：EOPC患者可优选雄激素剥夺、ERBB抑制、脂质代谢靶向及TAM抑制等组合疗法，而LOPC则更需关注CAF/BMP/EMT/去势耐药阻断策略。研究强调靶向关键微环境细胞（APOE+ TAM, iCAF）有望加速精准医疗落地。吸烟、老龄化等生活习惯-生物学交互机制亦为预防和干预提供切实抓手。
研究亮点与革新之处
- 前列腺癌分型思路创新：首次提出年龄起病-微环境主导分型体系，全面整合遗传、分子、细胞、空间、临床等多层次信号。
- APOE+肿瘤相关巨噬细胞的鉴定与功能：明确EOPC肿瘤中特异巨噬细胞亚型主导免疫抑制及代谢重编程，提出脂代谢及巨噬细胞双靶点有可能革新EOPC治疗策略。
- 炎症型CAF及去势耐药预存机制揭示：LOPC中CAF-BMP信号-EMT通路系统性建模，为治疗耐药和转移开创新方向。
- 空间分辨/动物模型/大队列多方法深度互证：研究流程完整、验证系统性强，极大提升了结果科学可信度与临床推广潜力。
- 理论与临床紧密结合：不仅描述机制，更结合小鼠体内模型、流式、蛋白组学和临床生存分析，推动研究成果向真实医疗场景转化。
其他值得关注的信息
- 伦理执行严格：全部人/鼠实验流程通过南京医科大学伦理委员会审核，符合国际伦理要求。
- 多种算法/平台创新融合：采用目前国际前沿的单细胞、多模态空间组学技术及创新性算法，为后续肿瘤微环境异质性研究树立模板。
- 对吸烟、衰老等生活方式与疾病分子机制结合的研讨：为公共卫生防控与早期干预提供新的可行思想路径。
结语
该研究以科学严谨的流程、多学科前沿技术、临床导向的思维，全面重绘了年龄相关前列腺癌异质性图谱，厘清了关键分子通路及微环境细胞的新机制，并为个体化治疗带来现实可行的新策略。未来在机制深入、药物开发和精准干预领域有望激发更多突破，推动恶性肿瘤全面进入“精准时代”。