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重磅发布|Nat. Commun IF:17.694中国医学科学院药物研究所贺玖明教授新发表空间多组学分析研究成果！
人阅读 发布时间：2023-09-21 11:38
2023年5月，中国医学科学院药物研究所贺玖明与齐鲁工业大学（山东省科学院）孙成龙、北京大学肿瘤医院季加孚/步召德、上海市生物医药技术研究院戴文韬等多个课题组密切合作，在Nature Communications（IF=17.694）发表题为“Spatially resolved multi-omics highlights cell-specific metabolic remodeling and interactions in gastric cancer”。该工作在空间分辨多组学新技术研发及胃癌代谢重编程及交互作用研究方面取得重要进展，并得到了上海欧易生物医学科技有限公司和上海鹿明生物科技有限公司的有力支持。
想了解更多关于空间代谢组学的技术，欢迎参加2023年10月21日(周六） 13：30-18：00 开展以"肿瘤研究新范式，质谱组学加速肿瘤精准医疗进程——基于空间代谢组学和质谱组学技术的肿瘤早期诊断与治疗应用"为主题的研讨会，本次研讨会邀请肿瘤领域的专家学者来分享新的研究成果和应用进展，探讨质谱组学技术在肿瘤早期诊断、治疗中的应用及其未来发展方向，共同推进肿瘤精准医疗的实现。
中文标题：空间分辨多组学揭示胃癌细胞特异性代谢重编程与互作
研究对象：人胃癌
发表期刊：Nature Communications
影响因子：17.694
发表时间：2023年5月
合作单位：欧易生物，鹿明生物
运用生物技术：空间代谢组，空间脂质组，空间转录组
01研究背景
代谢重编程被认为是肿瘤细胞的一个核心特征。另外，肿瘤和周围正常细胞（如免疫细胞和基质细胞）之间的代谢互动对癌症的发展和抗肿瘤免疫反应有深刻的影响。然而，鉴于细胞代谢网络的复杂性、肿瘤微环境的异质性和细胞间代谢通讯的多样性，要在多个分子水平上全面观察重新编程的肿瘤代谢和细胞间的相互作用仍然是一个挑战。对于这个问题，基于质谱成像（mass spectrometry imaging，MSI）技术的空间代谢组学可以提供有力帮助。
此外，空间转录组也可以揭示肿瘤代谢机制和肿瘤-微环境中的细胞-细胞互动的转录水平。当前，胃癌是全世界流行的恶性疾病之一，尽管以往的研究促进了我们对胃癌生物学的理解，但是均质的前处理损失了组织结构和细胞所处的空间信息。因此，本文提出了一种整合空间分辨多组学（空间代谢组+空间脂质组+空间转录组）方法，以探索胃癌微环境中的细胞特异性代谢重塑和相互作用。
02研究思路
03研究方法
实验材料：人胃癌组织7例
实验方法：对7例样本进行空间代谢组（AFADESI）和空间脂质组（MALDI-MSI），其中4例样本进行空间转录组测序。
04研究结果
1. 空间分辨多组学揭示瘤内异质性
来自七个人的胃癌组织被切割成10微米的冷冻切片，然后进行基于AFADESI-MSI的空间代谢组（spatial metabolomics，SM）和基于MALDI-MSI的空间脂质组（spatial lipidomics，SL）分析，其中四个被用来进行基于10×Genomics Visium的空间转录组（spatial transcriptomics，ST）分析。为了整合不同的组学数据，本研究中应用的空间分辨率被设定为100 μm。通过对代谢组和脂质的聚类，发现代谢物和脂质的空间表达存在明显差异（图1c）。
通过进一步使用无监督的概率潜在语义分析（probabilistic latent semantic analysis，PLSA）分析，所有检测到的变量被分解成五个基本成分，以显示组织代谢物和脂类的主要空间特征（图1d）。成分1代表了在肠道化生和肿瘤组织中明显上调的代谢物和脂类。成分2和成分3分别代表在结缔组织和肌肉粘膜中高表达的代谢物和脂类。成分4表示在肿瘤和腺体混合组织中上调的一类代谢物和脂类。专门分布在含血组织中的代谢物和脂类被分解为成分5。
这些结果表明，胃癌组织中存在明显的瘤内代谢组学和脂质组学异质性。此外，为探索胃癌组织不同区域的原位转录情况及其异质性，空间转录组研究发现，整个癌症组织切片可分为十个不同的cluster，这些cluster均可以反映不同空间结构（图1e）。
图1 | 空间分辨率的多组学揭示了胃癌的瘤内异质性
2. 胃癌组织内区域特异性的分子分布
目前，SM、SL和ST分析只能在相邻肿瘤切片上分别进行，但肿瘤组织具有高度的异质性，不同的切片还是会带来一定的空间误差。因此作者为了更准确地匹配肿瘤微环境中SM、SL和ST数据的空间特征，我们在本研究中把ST采样点标记为H&E图像。H&E图像左上角第一个点的坐标定义为x1y1，水平间隔为100 μm的点是x2y1，垂直间隔为100 μm的点是x1y2，通过类比，我们完成了H&E图像中所有取样点的定义（图2a上）。
此外，作者提取了不同微区的基因表达（图2a下），并进行了降维和聚类（图2b）以及差异基因的可视化（图2c）。随后，作者将将采样点标记的H&E图像导入MassImager软件和SCiLS Lab软件中，进行图像融合和空间匹配（图2d的上部）。
根据采样点标记的H&E图像提取特定区域的AFADESI-MS和MALDI-MS图谱，并用于空间代谢组学和空间脂质组学分析（图2d的下部和f）。差异表达的代谢物和脂质可以通过空间特征进行筛选和成像（图2g）。这样，在高度异质的胃癌组织中，区域特异性的代谢组学、脂质组学和转录组学指纹可以被精确提取和可视化。同时，作者通过整合差异表达的代谢物、脂质、基因及其空间特征，建立了一个代谢组-转录组关联网络（图2e）。
图2 | 不同肿瘤微区的基因、脂质和代谢物谱的提取
3. 区域特异性的代谢组、脂质和基因表达
通过对胃癌不同区域的代谢物及脂质进行的PCA分析发现，肿瘤组织的代谢物和脂质谱与肠道化生组织和上皮组织相对接近，与结缔组织有很大不同（补充图6）。大多数代谢物和脂质表现出高度异质性的空间特征，如一些氨基酸，胆碱，一些脂肪酸和磷脂等（补充图7和8）。
4. 精氨酸、脯氨酸代谢的失调
基于上面结果，作者开始研究胃癌中肿瘤的代谢重塑发现，精氨酸和脯氨酸在胃癌组织中都表现出高度异质性的空间分布，在肿瘤组织、上皮细胞和周围淋巴组织中都有较强的表达（图3a7，a11），并可视化了整个精氨酸和脯氨酸代谢途径中的关键代谢物和调节基因（图3a）。合成精氨酸和脯氨酸的关键成分是谷氨酰胺和谷氨酸，谷氨酰胺在肿瘤组织中下调，而谷氨酸的表达在肿瘤组织中被发现是上调的（图3a1，a2）。催化谷氨酸代谢为谷氨酰胺的GLUL在肿瘤组织、淋巴组织和肌肉粘膜中高度表达（图3a3，b1）。而将谷氨酰胺转化为谷氨酸的谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）只在肿瘤和淋巴组织中高度表达（图3a4，b2）。调节精氨酸和脯氨酸合成的ASX1、ALDH18A1和PYCR在肿瘤和淋巴组织中也表现出上调的表达（图3a5，a6，a10，b3-b5）。在OAT、AGMAT、ODC1、SRM和SMS的催化下，精氨酸和脯氨酸可以进一步代谢为腐胺、精胺其他多胺类物质。
结果表明多胺类物质主要分布在肿瘤组织中，其次是上皮细胞、肠道化生组织和淋巴组织（图3a14、a16、a18）。OAT、AGMAT和SMS只在肿瘤组织中上调（图3a9、a12、a17、b6、b8和b10），而ODC1和SRM在肿瘤和淋巴组织中高表达（图3a13、a15、b7和b9）。综上，作者发现精氨酸和脯氨酸的代谢途径在胃癌中发生了改变，肿瘤组织中精氨酸和脯氨酸的合成和代谢在代谢和转录水平上都有所增强。
图3 | 胃癌中重新编程的精氨酸和脯氨酸代谢途径的可视化
5. 脂质合成和代谢的显著重编程
因为脂质代谢重编程已被越来越多地认为是肿瘤细胞的一个标志。作者对脂质的分布展开研究发现，对于脂肪酸（fatty acids，FAs）而言，肿瘤组织中发现FA-16:0的表达量升高。然而，FA-20:4不仅在肿瘤组织中高表达，而且在淋巴组织中也上调，这表明FA-20:4可能与淋巴组织的免疫反应有关。相应地，FASN在肿瘤组织中表现出升高的表达（图4f1，g1），SCD和FADS负责FAs的去饱和化，SCD在肿瘤组织中高度表达（图4f2），而FADS在淋巴组织中更多表达（图4f3，g3）。促进FA碳链延长的ELOVL在肿瘤和淋巴组织中都表现出上调的表达（图4f4，g4）。这些有助于解释为什么FA-16:0只在肿瘤组织中上调，而多不饱和长链FA，如FA-20:4、FA-22:4和FA-22:5，在肿瘤和淋巴组织中都上调（图4e1和补充图38）。
对于磷脂，是细胞膜的基本组成部分，并可能进一步参与对肿瘤生长和转移重要的信号事件。作者发现，饱和的磷脂酰胆碱（phosphatidylcholines，PCs）和磷脂酰乙醇an（phosphatidylethanolamines，PEs）如PC-32:0和PE-34:0在淋巴组织中的水平远远高于其他组织区域（图4d4，d7，e2，e3），而单不饱和的PC-34:1和PE-36:1在肿瘤、上皮细胞和肠道化生组织中表现得更为强烈（图4d5，d8，e2，e3）。多不饱和长链PCs和PEs如PC-38:4和PE-38:4在肿瘤和淋巴组织中都呈现出上调的表达，这与多不饱和长链FAs的空间特征相符（图4d6，d9，e2，e3）。催化PC、PE结合FAs生成胆碱磷酸（phosphocholine，PPC）和磷酸乙醇an（phosphoethanolamine，PPE）的ETNK1和CHKA基因在肿瘤组织中都被发现上调，但ETNK1基因在淋巴组织中也显示出高表达（图4f5，f6，g5，g6）。分解PC、PE为FAs、胆碱和乙醇an的PLD和LYPLA2基因在肿瘤和淋巴组织中呈现上调表达（图4f7，f8，g7，g8）。
除了在结缔组织中的低水平，所有磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserines，PSs）在其他胃癌区域都表现出强烈的表达（图4d13-15，e5）。对于磷脂酰甘油（phosphatidylglycerols，PGs），它们主要分布在固有层、粘膜肌层和淋巴组织中，它们的表达在肿瘤和肠道化生区域没有增强（图4d16-18，e6）。这些结果表明，胃肿瘤和周围的淋巴组织拥有更活跃的脂质合成和代谢。
图4 | 胃癌中重新编程的脂质合成和代谢途径的可视化
6. 逐步进行的代谢重编程
在本研究中，0602号患者被诊断为腺癌，但组织学图像也显示出正常上皮和锯齿状腺体结构。胃腺癌来源于上皮的恶性增生，而锯齿状腺体结构是上皮发育不良的一种类型。图5a中的箭头表示了从上皮到锯齿状病变到肿瘤的病理梯度改变。代谢物和脂质驱动的分割图也显示了颜色的梯度改变，表明胃癌的代谢重编程是有步骤的。因此，作者提取了锯齿状病变和肿瘤组织的区域特异性代谢物和脂质谱，通过PCA发现二者之间存在明显的差异（图5c）。与正常组织相比，这些区域的葡萄糖丰度明显下调（图5d）。肿瘤组织的中葡萄糖磷酸盐高于上皮细胞和锯齿状病变（图5e），这与肿瘤细胞倾向于重新规划其代谢以增加能量代谢有关。无氧糖酵解产物乳酸在肿瘤和锯齿状病变中表现出更高的表达量，表明其无氧糖酵解反应比正常上皮细胞更活跃（图5f）。琥珀酸和苹果酸是TCA循环中的关键代谢物，琥珀酸在上皮细胞、锯齿状病变和肿瘤组织中的表达持续上调（图5g），而苹果酸在锯齿状病变和肿瘤组织中的表达比在正常上皮细胞中下调（图5h）。
除此之外，组胺在病变及肿瘤组织中含量急剧下降，不饱和FA呈现空间异质性分布，一些硫甘脂（Sulfatides，SFT）呈现出从上皮到锯齿状病变到肿瘤组织的阶梯式上升趋势（图5h-q）。为了探索这种阶梯式的代谢改变是否受到上游基因的影响，作者提取了区域特定的基因表达数据。分析发现，氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation，OXPHOS）是最失调的途径，与SM发现的葡萄糖磷酸化、无氧糖酵解和有氧氧化中的代谢物改变一致。对OXPHOS途径中鉴别性基因的空间表达进行了成像，NDUFS6、NDUFA6、NDUFAB1等基因在锯齿状病变中表达量最高，其次是肿瘤和正常上皮细胞（图5s和补充图40）。
肿瘤组织中富集到的其他通路如组氨酸代谢、不饱和脂肪酸的生物合成和色氨酸代谢中基因也有不同的空间表达分布，如调节组胺氧化的AOC1，其表达在肿瘤组织中最高，其次是锯齿状病变，在正常上皮细胞中最低（图5t），并由免疫组化进行了验证。由此推测，肿瘤组织中组胺的下调是由其过度氧化引起的。
图5 | 胃癌中逐步代谢重编程的可视化
7. 肿瘤边界区域的免疫代谢重编程
通过空转数据的聚类与HE染色的匹配，作者还发现肿瘤和邻近组织的交界处有一个明显的“界面”cluster（cluster9）（图6b），UMAP结果发现它位于肿瘤和正常组织之间（图6c）。通过细胞注释确定了每一个cluster所代表的细胞类型（图6d），其中cluster 9现出明显的免疫和炎症相关特征，有大量的浆状B细胞、滤泡B细胞和Th2样CD4+T细胞。通过病理学检查，该cluster包含一些淋巴组织。这些结果说明免疫和炎症相关的cluster 9位于肿瘤边界，肿瘤与邻近组织接触的地方，被认为对肿瘤细胞的入侵和进展很重要。在cluster 9中，作者发现了发现了两个与肿瘤边界有不同距离的淋巴组织，与肿瘤细胞相邻的淋巴组织被定义为瘤周淋巴组织（peritumoral lymphoid tissue，PLT，图6e），与正常上皮相邻的淋巴组织被归为远端淋巴组织（distal lymphoid tissue，DLT，图6e）。
而空间代谢组和空间脂质组的数据表明，PLT经历了显著的代谢重编程，如其中的谷氨酰胺（图6f）水平急剧下降，而谷氨酸的水平明显高于DLT（图6g，j）。并发现，转化谷氨酰胺为谷氨酸的GLS基因和谷氨酰胺转运体SLC1A5在PLT中表现出更高的表达（图6h，k，l）。这些数据表明，谷氨酰胺的摄取和代谢在PLT中被上调了。除此之外，FAs对于肿瘤的能量代谢和信号传递是不可缺少的，本研究中，一些FAs尤其是长链不饱和FAs如花生四烯酸等在PLT中也明显上调（图6m-p）。空间转录组结果表明，FA合成相关的FASN、SCD和ELOVL基因，以及促进花生四烯酸代谢为白三烯类炎症介质的ALOX5AP基因在PLT中也被上调（图6q-t）。这些长链多不饱和脂肪酸在PLT中的上调与免疫和炎症相关cluster 9的生物学特征相吻合，也表明PLT比DLT表现出更强的炎症反应，抑制肿瘤细胞的增殖。
图6 | 胃癌肿瘤界面区域的免疫代谢重编程的成像
05研究结论
本研究表明，空间代谢组、空间脂质组和空间转录组，这三种空间分辨的组学方法可以被整合起来，用于描述高度异质性癌症组织中复杂的肿瘤代谢重塑和肿瘤-微环境代谢相互作用。代谢物、脂质和基因表达特征及其在肿瘤微环境中的空间变化被精确成像，并进一步联系到不同的代谢途径。本研究有助于更好地理解肿瘤的分子机制，并提供了可用于癌症治疗的潜在靶点。
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本研究使用基于AFADESI的空间代谢组、基于MALDI-MSI的空间脂质组以及空间转录组分别对人胃癌组织的代谢物、脂质及基因表达改变进行了研究。并利用三种组学技术使用相邻切片的优势，对空间多组学结果进行了创造性的匹配。从代谢物、脂质及基因表达的三个角度，揭示了胃癌样本异质性，以及胃癌组织的代谢重编程。本文为肿瘤研究提供了新思路和新方法。
齐鲁工业大学（山东省科学院）孙成龙研究员（药物所2018届博士生）、北京大学肿瘤医院王安强副教授、药物所硕士生周晏合为本文共同第一作者。中国医学科学院药物研究所贺玖明研究员、北京大学肿瘤医院季加孚教授、步召德教授和上海市生物医药技术研究院戴文韬副研究员为本文的共同通讯作者。本研究受到国家自然科学基金、中国医学科学院医学与健康科技创新工程、山东省泰山学者计划等项目的资助；得到上海欧易、鹿明生物和维科托（北京）在空间转录测序、生信分析和空间代谢组分析仪器研制等技术支持。
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上海鹿明生物科技有限公司多年来，一直专注于生命科学和生命技术领域，是国内早期开展以蛋白组和代谢组为基础的多层组学整合实验与分析的团队。目前在多层组学研究已经有了成熟的技术方法，欢迎各位老师前来咨询哦~
参考文献—文章：Sun, C., Wang, A., Zhou, Y. et al. Spatially resolved multi-omics highlights cell-specific metabolic remodeling and interactions in gastric cancer. Nat Commun 14, 2692 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38360-5
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中文标题：空间分辨多组学揭示胃癌细胞特异性代谢重编程与互作
研究对象：人胃癌
发表期刊：Nature Communications
影响因子：17.694
发表时间：2023年5月
合作单位：欧易生物，鹿明生物
运用生物技术：空间代谢组，空间脂质组，空间转录组
01研究背景
代谢重编程被认为是肿瘤细胞的一个核心特征。另外，肿瘤和周围正常细胞（如免疫细胞和基质细胞）之间的代谢互动对癌症的发展和抗肿瘤免疫反应有深刻的影响。然而，鉴于细胞代谢网络的复杂性、肿瘤微环境的异质性和细胞间代谢通讯的多样性，要在多个分子水平上全面观察重新编程的肿瘤代谢和细胞间的相互作用仍然是一个挑战。对于这个问题，基于质谱成像（mass spectrometry imaging，MSI）技术的空间代谢组学可以提供有力帮助。
此外，空间转录组也可以揭示肿瘤代谢机制和肿瘤-微环境中的细胞-细胞互动的转录水平。当前，胃癌是全世界流行的恶性疾病之一，尽管以往的研究促进了我们对胃癌生物学的理解，但是均质的前处理损失了组织结构和细胞所处的空间信息。因此，本文提出了一种整合空间分辨多组学（空间代谢组+空间脂质组+空间转录组）方法，以探索胃癌微环境中的细胞特异性代谢重塑和相互作用。
02研究思路
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实验材料：人胃癌组织7例
实验方法：对7例样本进行空间代谢组（AFADESI）和空间脂质组（MALDI-MSI），其中4例样本进行空间转录组测序。
04研究结果
1. 空间分辨多组学揭示瘤内异质性
来自七个人的胃癌组织被切割成10微米的冷冻切片，然后进行基于AFADESI-MSI的空间代谢组（spatial metabolomics，SM）和基于MALDI-MSI的空间脂质组（spatial lipidomics，SL）分析，其中四个被用来进行基于10×Genomics Visium的空间转录组（spatial transcriptomics，ST）分析。为了整合不同的组学数据，本研究中应用的空间分辨率被设定为100 μm。通过对代谢组和脂质的聚类，发现代谢物和脂质的空间表达存在明显差异（图1c）。
通过进一步使用无监督的概率潜在语义分析（probabilistic latent semantic analysis，PLSA）分析，所有检测到的变量被分解成五个基本成分，以显示组织代谢物和脂类的主要空间特征（图1d）。成分1代表了在肠道化生和肿瘤组织中明显上调的代谢物和脂类。成分2和成分3分别代表在结缔组织和肌肉粘膜中高表达的代谢物和脂类。成分4表示在肿瘤和腺体混合组织中上调的一类代谢物和脂类。专门分布在含血组织中的代谢物和脂类被分解为成分5。
这些结果表明，胃癌组织中存在明显的瘤内代谢组学和脂质组学异质性。此外，为探索胃癌组织不同区域的原位转录情况及其异质性，空间转录组研究发现，整个癌症组织切片可分为十个不同的cluster，这些cluster均可以反映不同空间结构（图1e）。
图1 | 空间分辨率的多组学揭示了胃癌的瘤内异质性
2. 胃癌组织内区域特异性的分子分布
目前，SM、SL和ST分析只能在相邻肿瘤切片上分别进行，但肿瘤组织具有高度的异质性，不同的切片还是会带来一定的空间误差。因此作者为了更准确地匹配肿瘤微环境中SM、SL和ST数据的空间特征，我们在本研究中把ST采样点标记为H&E图像。H&E图像左上角第一个点的坐标定义为x1y1，水平间隔为100 μm的点是x2y1，垂直间隔为100 μm的点是x1y2，通过类比，我们完成了H&E图像中所有取样点的定义（图2a上）。
此外，作者提取了不同微区的基因表达（图2a下），并进行了降维和聚类（图2b）以及差异基因的可视化（图2c）。随后，作者将将采样点标记的H&E图像导入MassImager软件和SCiLS Lab软件中，进行图像融合和空间匹配（图2d的上部）。
根据采样点标记的H&E图像提取特定区域的AFADESI-MS和MALDI-MS图谱，并用于空间代谢组学和空间脂质组学分析（图2d的下部和f）。差异表达的代谢物和脂质可以通过空间特征进行筛选和成像（图2g）。这样，在高度异质的胃癌组织中，区域特异性的代谢组学、脂质组学和转录组学指纹可以被精确提取和可视化。同时，作者通过整合差异表达的代谢物、脂质、基因及其空间特征，建立了一个代谢组-转录组关联网络（图2e）。
图2 | 不同肿瘤微区的基因、脂质和代谢物谱的提取
3. 区域特异性的代谢组、脂质和基因表达
通过对胃癌不同区域的代谢物及脂质进行的PCA分析发现，肿瘤组织的代谢物和脂质谱与肠道化生组织和上皮组织相对接近，与结缔组织有很大不同（补充图6）。大多数代谢物和脂质表现出高度异质性的空间特征，如一些氨基酸，胆碱，一些脂肪酸和磷脂等（补充图7和8）。
4. 精氨酸、脯氨酸代谢的失调
基于上面结果，作者开始研究胃癌中肿瘤的代谢重塑发现，精氨酸和脯氨酸在胃癌组织中都表现出高度异质性的空间分布，在肿瘤组织、上皮细胞和周围淋巴组织中都有较强的表达（图3a7，a11），并可视化了整个精氨酸和脯氨酸代谢途径中的关键代谢物和调节基因（图3a）。合成精氨酸和脯氨酸的关键成分是谷氨酰胺和谷氨酸，谷氨酰胺在肿瘤组织中下调，而谷氨酸的表达在肿瘤组织中被发现是上调的（图3a1，a2）。催化谷氨酸代谢为谷氨酰胺的GLUL在肿瘤组织、淋巴组织和肌肉粘膜中高度表达（图3a3，b1）。而将谷氨酰胺转化为谷氨酸的谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）只在肿瘤和淋巴组织中高度表达（图3a4，b2）。调节精氨酸和脯氨酸合成的ASX1、ALDH18A1和PYCR在肿瘤和淋巴组织中也表现出上调的表达（图3a5，a6，a10，b3-b5）。在OAT、AGMAT、ODC1、SRM和SMS的催化下，精氨酸和脯氨酸可以进一步代谢为腐胺、精胺其他多胺类物质。
结果表明多胺类物质主要分布在肿瘤组织中，其次是上皮细胞、肠道化生组织和淋巴组织（图3a14、a16、a18）。OAT、AGMAT和SMS只在肿瘤组织中上调（图3a9、a12、a17、b6、b8和b10），而ODC1和SRM在肿瘤和淋巴组织中高表达（图3a13、a15、b7和b9）。综上，作者发现精氨酸和脯氨酸的代谢途径在胃癌中发生了改变，肿瘤组织中精氨酸和脯氨酸的合成和代谢在代谢和转录水平上都有所增强。
图3 | 胃癌中重新编程的精氨酸和脯氨酸代谢途径的可视化
5. 脂质合成和代谢的显著重编程
因为脂质代谢重编程已被越来越多地认为是肿瘤细胞的一个标志。作者对脂质的分布展开研究发现，对于脂肪酸（fatty acids，FAs）而言，肿瘤组织中发现FA-16:0的表达量升高。然而，FA-20:4不仅在肿瘤组织中高表达，而且在淋巴组织中也上调，这表明FA-20:4可能与淋巴组织的免疫反应有关。相应地，FASN在肿瘤组织中表现出升高的表达（图4f1，g1），SCD和FADS负责FAs的去饱和化，SCD在肿瘤组织中高度表达（图4f2），而FADS在淋巴组织中更多表达（图4f3，g3）。促进FA碳链延长的ELOVL在肿瘤和淋巴组织中都表现出上调的表达（图4f4，g4）。这些有助于解释为什么FA-16:0只在肿瘤组织中上调，而多不饱和长链FA，如FA-20:4、FA-22:4和FA-22:5，在肿瘤和淋巴组织中都上调（图4e1和补充图38）。
对于磷脂，是细胞膜的基本组成部分，并可能进一步参与对肿瘤生长和转移重要的信号事件。作者发现，饱和的磷脂酰胆碱（phosphatidylcholines，PCs）和磷脂酰乙醇an（phosphatidylethanolamines，PEs）如PC-32:0和PE-34:0在淋巴组织中的水平远远高于其他组织区域（图4d4，d7，e2，e3），而单不饱和的PC-34:1和PE-36:1在肿瘤、上皮细胞和肠道化生组织中表现得更为强烈（图4d5，d8，e2，e3）。多不饱和长链PCs和PEs如PC-38:4和PE-38:4在肿瘤和淋巴组织中都呈现出上调的表达，这与多不饱和长链FAs的空间特征相符（图4d6，d9，e2，e3）。催化PC、PE结合FAs生成胆碱磷酸（phosphocholine，PPC）和磷酸乙醇an（phosphoethanolamine，PPE）的ETNK1和CHKA基因在肿瘤组织中都被发现上调，但ETNK1基因在淋巴组织中也显示出高表达（图4f5，f6，g5，g6）。分解PC、PE为FAs、胆碱和乙醇an的PLD和LYPLA2基因在肿瘤和淋巴组织中呈现上调表达（图4f7，f8，g7，g8）。
除了在结缔组织中的低水平，所有磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserines，PSs）在其他胃癌区域都表现出强烈的表达（图4d13-15，e5）。对于磷脂酰甘油（phosphatidylglycerols，PGs），它们主要分布在固有层、粘膜肌层和淋巴组织中，它们的表达在肿瘤和肠道化生区域没有增强（图4d16-18，e6）。这些结果表明，胃肿瘤和周围的淋巴组织拥有更活跃的脂质合成和代谢。
图4 | 胃癌中重新编程的脂质合成和代谢途径的可视化
6. 逐步进行的代谢重编程
在本研究中，0602号患者被诊断为腺癌，但组织学图像也显示出正常上皮和锯齿状腺体结构。胃腺癌来源于上皮的恶性增生，而锯齿状腺体结构是上皮发育不良的一种类型。图5a中的箭头表示了从上皮到锯齿状病变到肿瘤的病理梯度改变。代谢物和脂质驱动的分割图也显示了颜色的梯度改变，表明胃癌的代谢重编程是有步骤的。因此，作者提取了锯齿状病变和肿瘤组织的区域特异性代谢物和脂质谱，通过PCA发现二者之间存在明显的差异（图5c）。与正常组织相比，这些区域的葡萄糖丰度明显下调（图5d）。肿瘤组织的中葡萄糖磷酸盐高于上皮细胞和锯齿状病变（图5e），这与肿瘤细胞倾向于重新规划其代谢以增加能量代谢有关。无氧糖酵解产物乳酸在肿瘤和锯齿状病变中表现出更高的表达量，表明其无氧糖酵解反应比正常上皮细胞更活跃（图5f）。琥珀酸和苹果酸是TCA循环中的关键代谢物，琥珀酸在上皮细胞、锯齿状病变和肿瘤组织中的表达持续上调（图5g），而苹果酸在锯齿状病变和肿瘤组织中的表达比在正常上皮细胞中下调（图5h）。
除此之外，组胺在病变及肿瘤组织中含量急剧下降，不饱和FA呈现空间异质性分布，一些硫甘脂（Sulfatides，SFT）呈现出从上皮到锯齿状病变到肿瘤组织的阶梯式上升趋势（图5h-q）。为了探索这种阶梯式的代谢改变是否受到上游基因的影响，作者提取了区域特定的基因表达数据。分析发现，氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation，OXPHOS）是最失调的途径，与SM发现的葡萄糖磷酸化、无氧糖酵解和有氧氧化中的代谢物改变一致。对OXPHOS途径中鉴别性基因的空间表达进行了成像，NDUFS6、NDUFA6、NDUFAB1等基因在锯齿状病变中表达量最高，其次是肿瘤和正常上皮细胞（图5s和补充图40）。
肿瘤组织中富集到的其他通路如组氨酸代谢、不饱和脂肪酸的生物合成和色氨酸代谢中基因也有不同的空间表达分布，如调节组胺氧化的AOC1，其表达在肿瘤组织中最高，其次是锯齿状病变，在正常上皮细胞中最低（图5t），并由免疫组化进行了验证。由此推测，肿瘤组织中组胺的下调是由其过度氧化引起的。
图5 | 胃癌中逐步代谢重编程的可视化
7. 肿瘤边界区域的免疫代谢重编程
通过空转数据的聚类与HE染色的匹配，作者还发现肿瘤和邻近组织的交界处有一个明显的“界面”cluster（cluster9）（图6b），UMAP结果发现它位于肿瘤和正常组织之间（图6c）。通过细胞注释确定了每一个cluster所代表的细胞类型（图6d），其中cluster 9现出明显的免疫和炎症相关特征，有大量的浆状B细胞、滤泡B细胞和Th2样CD4+T细胞。通过病理学检查，该cluster包含一些淋巴组织。这些结果说明免疫和炎症相关的cluster 9位于肿瘤边界，肿瘤与邻近组织接触的地方，被认为对肿瘤细胞的入侵和进展很重要。在cluster 9中，作者发现了发现了两个与肿瘤边界有不同距离的淋巴组织，与肿瘤细胞相邻的淋巴组织被定义为瘤周淋巴组织（peritumoral lymphoid tissue，PLT，图6e），与正常上皮相邻的淋巴组织被归为远端淋巴组织（distal lymphoid tissue，DLT，图6e）。
而空间代谢组和空间脂质组的数据表明，PLT经历了显著的代谢重编程，如其中的谷氨酰胺（图6f）水平急剧下降，而谷氨酸的水平明显高于DLT（图6g，j）。并发现，转化谷氨酰胺为谷氨酸的GLS基因和谷氨酰胺转运体SLC1A5在PLT中表现出更高的表达（图6h，k，l）。这些数据表明，谷氨酰胺的摄取和代谢在PLT中被上调了。除此之外，FAs对于肿瘤的能量代谢和信号传递是不可缺少的，本研究中，一些FAs尤其是长链不饱和FAs如花生四烯酸等在PLT中也明显上调（图6m-p）。空间转录组结果表明，FA合成相关的FASN、SCD和ELOVL基因，以及促进花生四烯酸代谢为白三烯类炎症介质的ALOX5AP基因在PLT中也被上调（图6q-t）。这些长链多不饱和脂肪酸在PLT中的上调与免疫和炎症相关cluster 9的生物学特征相吻合，也表明PLT比DLT表现出更强的炎症反应，抑制肿瘤细胞的增殖。
图6 | 胃癌肿瘤界面区域的免疫代谢重编程的成像
05研究结论
本研究表明，空间代谢组、空间脂质组和空间转录组，这三种空间分辨的组学方法可以被整合起来，用于描述高度异质性癌症组织中复杂的肿瘤代谢重塑和肿瘤-微环境代谢相互作用。代谢物、脂质和基因表达特征及其在肿瘤微环境中的空间变化被精确成像，并进一步联系到不同的代谢途径。本研究有助于更好地理解肿瘤的分子机制，并提供了可用于癌症治疗的潜在靶点。
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本研究使用基于AFADESI的空间代谢组、基于MALDI-MSI的空间脂质组以及空间转录组分别对人胃癌组织的代谢物、脂质及基因表达改变进行了研究。并利用三种组学技术使用相邻切片的优势，对空间多组学结果进行了创造性的匹配。从代谢物、脂质及基因表达的三个角度，揭示了胃癌样本异质性，以及胃癌组织的代谢重编程。本文为肿瘤研究提供了新思路和新方法。
齐鲁工业大学（山东省科学院）孙成龙研究员（药物所2018届博士生）、北京大学肿瘤医院王安强副教授、药物所硕士生周晏合为本文共同第一作者。中国医学科学院药物研究所贺玖明研究员、北京大学肿瘤医院季加孚教授、步召德教授和上海市生物医药技术研究院戴文韬副研究员为本文的共同通讯作者。本研究受到国家自然科学基金、中国医学科学院医学与健康科技创新工程、山东省泰山学者计划等项目的资助；得到上海欧易、鹿明生物和维科托（北京）在空间转录测序、生信分析和空间代谢组分析仪器研制等技术支持。
想了解更多关于空间代谢组学的技术，欢迎参加2023年10月21日(周六） 13：30-18：00 开展以"肿瘤研究新范式，质谱组学加速肿瘤精准医疗进程——基于空间代谢组学和质谱组学技术的肿瘤早期诊断与治疗应用"为主题的研讨会，本次研讨会邀请肿瘤领域的专家学者来分享新的研究成果和应用进展，探讨质谱组学技术在肿瘤早期诊断、治疗中的应用及其未来发展方向，共同推进肿瘤精准医疗的实现。
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上海鹿明生物科技有限公司多年来，一直专注于生命科学和生命技术领域，是国内早期开展以蛋白组和代谢组为基础的多层组学整合实验与分析的团队。目前在多层组学研究已经有了成熟的技术方法，欢迎各位老师前来咨询哦~
参考文献—文章：Sun, C., Wang, A., Zhou, Y. et al. Spatially resolved multi-omics highlights cell-specific metabolic remodeling and interactions in gastric cancer. Nat Commun 14, 2692 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38360-5
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