芯空一号快讯 | CosMx SMI揭示肿瘤内细菌重塑癌细胞状态并推动结直肠癌化疗抵抗

肿瘤内微生物正在成为肿瘤微环境研究中的重要组成部分。尤其在结直肠癌中，Fusobacterium nucleatum 等肿瘤浸润细菌已被认为与疾病进展、复发和治疗抵抗相关。该研究结合CosMx SMI单细胞空间转录组、RNAscope、活细胞成像、3D共培养等技术，系统解析了肿瘤内细菌如何在局部空间生态位中改变癌上皮细胞状态。

摘要

01 肿瘤内细菌形成低增殖的空间微生态位

研究首先通过PanCK标记癌上皮细胞，并结合针对细菌16S rRNA及Fusobacterium的RNAscope检测，定位结直肠癌、口腔鳞癌及小鼠肿瘤模型中的细菌富集区域。结果显示，细菌并非均匀分布于整个肿瘤，而是集中存在于特定的 bacteria-colonized microniches 中。与细菌阴性区域相比，这些细菌富集区域中的癌上皮细胞排列更分散，细胞核间距增加，整体细胞密度降低，同时Ki67表达下降，提示癌细胞增殖能力受到抑制。

进一步分析发现，在高细菌负荷区域，大多数细菌信号主要位于细胞外空间，而不是完全存在于癌细胞内部。这说明胞外细菌本身可以作为一种空间结构成分，插入癌上皮细胞之间，破坏细胞与细胞之间的接触，从而改变局部肿瘤组织结构。在独立的52例结直肠癌患者队列中，研究同样观察到细菌负荷升高与癌上皮细胞密度降低、细胞间距离增加相关，进一步支持肿瘤内细菌与空间结构重塑之间的关系。

细菌感染环境中癌细胞的空间分布

02 Fusobacterium诱导癌细胞进入G0–G1静止状态并降低化疗敏感性

为了验证细菌是否能够主动改变癌细胞行为，研究建立了Fusobacterium与结直肠癌细胞的共培养体系。活细胞成像显示，在无细菌条件下，癌上皮细胞能够保持紧密连接并持续扩增，而暴露于Fusobacterium后，细菌分布在细胞间隙中，导致癌细胞彼此分离，单层扩展受阻，3D球体结构也变得不规则，说明细菌可以直接破坏癌上皮细胞之间的相互作用。

这种结构改变进一步伴随细胞周期重编程。通过FUCCI细胞周期示踪系统，研究发现Fusobacterium暴露后，癌上皮细胞中G0–G1期细胞比例升高，G2–M期细胞比例下降，总体增殖能力降低，呈现静止样状态。由于5-FU等抗代谢化疗药物主要作用于活跃复制的细胞，处于G0–G1静止状态的癌细胞可能因此获得一定保护。研究显示，Fusobacterium预暴露后的癌细胞在5-FU处理后具有更强恢复能力，在92例直肠癌新辅助治疗队列中肿瘤内Fusobacterium负荷较高的患者更不容易获得主要病理缓解，提示细菌诱导的癌细胞静止状态可能与治疗反应不佳相关。

暴露于梭杆菌的癌细胞的细胞周期动力学

03 Fusobacterium诱导癌细胞进入G0–G1静止状态并降低化疗敏感性

在机制层面，研究利用CosMx-SMI单细胞空间转录组技术，对人结直肠癌组织中Fusobacterium富集微生态位进行原位解析。研究通过PanCK、CD45和ATP1B3进行细胞分割，并结合自定义细菌探针和约1000个人类基因panel，在单细胞水平同时定位细菌信号和宿主细胞转录状态。

空间邻域分析显示，细菌信号最高的区域富集巨噬细胞、中性粒细胞、单核细胞和树突状细胞等髓系免疫细胞，同时仅包含少量癌上皮细胞。位于细菌富集生态位中的癌上皮细胞表现出明显低转录特征，包括总转录本数量减少、检测到的基因数降低，以及转录、翻译、核糖体、组蛋白和热休克蛋白相关基因下调。这与体外模型中Fusobacterium诱导的静止样状态高度一致，说明细菌富集区域中的癌上皮细胞处于低活性、低增殖、低转录状态。

此外，这些癌上皮细胞还表现出HLA分子及部分肿瘤相关靶点表达下降，提示其可能具有更弱的免疫可识别性和潜在免疫逃逸特征。与此同时，STAT1、CXCL8等炎症相关因子上调，说明癌细胞本身也参与了对肿瘤内细菌的炎症反应，并可能进一步招募髓系细胞，塑造局部免疫微环境。

细菌感染微生态系统中癌细胞的转录组学特征

总体来看，这项研究提出，肿瘤浸润细菌并非只是肿瘤组织中的伴随成分，而是具有空间组织特征的功能性生态位成员。胞外Fusobacterium可通过破坏癌上皮细胞之间的接触，诱导G0–G1静止和低转录状态，使癌细胞在化疗压力下获得生存优势，并可能进一步促进治疗抵抗和肿瘤复发。SMI空间单细胞转录组则从组织原位回答了细菌在哪里以及细菌所在区域的癌细胞发生了什么变化，为理解肿瘤微生物生态位和治疗抵抗机制提供了新的研究思路。