Cell Discovery|空间蛋白质组学破译肝癌「微环境地图」

肝细胞癌（HCC）是全球范围内最常见的肝脏恶性肿瘤，由于其高度异质性和复杂的肿瘤微环境（TME），治疗效果往往不理想。肿瘤微环境中的癌症相关成纤维细胞（CAFs），作为数量最丰富的间质细胞，在肿瘤进展、免疫调节和治疗抵抗中扮演着关键角色。

然而，CAFs并非“铁板一块”，它们具有高度的异质性，既有促癌也有抑癌的作用。传统的研究方法，如单细胞RNA测序（scRNA-seq），虽然能够识别不同的细胞亚群，却无法还原细胞在原始组织中的空间位置信息，而这一点对于理解细胞间的相互作用至关重要。

2025年1月28日，复旦大学附属中山医院樊嘉院士团队发表于 Cell Discovery的研究综合利用了空间蛋白质组学、Stereo-seq空间转录组等多组学技术，成功绘制了肝癌基质结构的空间蓝图，并揭示了两个功能截然相反的成纤维细胞亚群，为改善肝癌免疫治疗提供了新的靶点和策略。

图1：研究流程图

研究团队首先对超过1000例肝癌患者的H&E染色切片进行了人工智能（AI）图像分析，根据肿瘤基质的分布模式，首次系统性地鉴定出两种不同的基质结构类型：FR⁺（肿瘤周围存在纤维环）和FR⁻（肿瘤内基质丰富但无纤维环）。

这两种类型与患者预后显著相关。FR⁺患者表现出更好的生存预后，其肿瘤组织代谢通路（如脂肪酸代谢、WNT/β-catenin信号）活跃，而FR⁻肿瘤则富集炎症、免疫抑制和上皮-间质转化（EMT）相关通路。进一步的多组学分析显示，FR⁺肿瘤中CD8⁺ naïve T细胞比例较高，提示其免疫微环境更为平衡，而FR⁻肿瘤则表现出更高的髓系细胞浸润和免疫治疗抵抗特征。

 图2：肝细胞癌中的基质结构及其与临床和多组学的相关性

为了在分子层面理解这两种基质的差异，研究采用了空间蛋白质组学技术。研究人员通过激光捕获显微切割（LCM） 技术，像“微外科手术”一样，精准地从肿瘤核心、纤维包膜、癌旁组织等不同区域分离出纯的基质成分，然后进行高通量质谱分析。

这项技术的关键优势在于，它能同时获取特定空间位置上的蛋白质表达信息和细胞外基质（ECM）组成信息。研究结果揭示了根本性差异：在 FR⁺型的纤维包膜中，基底膜蛋白（如COL4A1, COL4A2） 和与组织修复相关的通路高度富集；在 FR⁻型的瘤内基质中，则高表达免疫调节蛋白（如LGALS9, IL18） 和ECM降解酶（如CTSB），表明其处于持续炎症和重塑状态。更重要的是，通过二次谐波成像（SHG）直接观察到，FR⁻型肿瘤核心的胶原纤维更加致密且交错缠绕，这种物理结构很可能直接阻碍了T细胞的浸润，导致免疫细胞无法有效攻击肿瘤细胞。 

图3：肝细胞癌中两种基质原型的空间蛋白组学分析

空间蛋白质组学提供了“地图”，但要找到“关键人物”，还需要结合单细胞和空间转录组学。通过Stereo-seq（一种超高分辨率空间转录组技术），研究团队将细胞精确地定位于“地图”上，并发现了两个关键的成纤维细胞亚群：CAF-FAP和CAF-C7。

CAF-FAP：高表达FAP、POSTN等基因，富集于FR⁻肿瘤的核心区域，与耗竭性T细胞（CD8_PDCD1）密切共定位，形成 “炎症中心”；CAF-C7：高表达C7、PDGFRA等基因，特异性位于FR⁺肿瘤的纤维包膜区域，与SPP1⁺巨噬细胞共存，形成 “伤口愈合中心” 。这两个亚群的功能截然相反：CAF-FAP促进免疫抑制和肿瘤发展，与患者不良预后相关；而CAF-C7则可能限制肿瘤进展，与较好预后相关。

图4：在单细胞层面解析HCC空间基质异质性

图5：在肝细胞癌基质中的协调CAF-免疫相互作用

研究进一步深入机制，发现转录因子RUNX1和USF2分别是调控CAF-FAP和CAF-C7分化的“开关”。

RUNX1是CAF-FAP的关键转录因子，促进炎症和迁移相关基因表达；USF2则调控CAF-C7，参与应激响应和细胞存活。体外实验显示，RUNX1过表达或USF2敲低均可诱导CAF-FAP样表型。CUT&Tag实验进一步证实RUNX1和USF2结合在启动子区域，调控下游靶基因。在动物模型中，研究人员验证了靶向CAF-FAP的有效性。使用FAP抑制剂（Ac-Gly-BoroPro）联合抗PD-1抗体的治疗方案，显示出显著的协同效应，能最大程度地抑制肿瘤生长，效果远优于单一疗法。这为克服肝癌免疫治疗抵抗提供了新的联合治疗策略。

 图6：HCC中不同CAF亚群的基因调控网络

本文中的研究主要依赖于空间多组学技术，特别是空间蛋白质组学，这是在肿瘤微环境研究中的一次成功示范。它不仅揭示了肝癌基质组织的空间规律，发现了具有相反功能的CAF亚群，更重要的是，它提供了蛋白质层面的直接证据，将细胞外基质的成分、结构与功能、预后直接联系起来，这是单纯的转录组数据无法实现的。空间蛋白质组学让我们能够真正地“看到”肿瘤微环境的复杂构造和分子分布，为理解疾病生物学和开发精准免疫治疗策略提供了前所未有的视角。未来，针对CAF-FAP或它构成的免疫抑制微环境进行靶向干预，或许能成为唤醒肝癌免疫系统、提升免疫治疗疗效的关键钥匙。