Nature 子刊｜EMT 微环境介导化疗耐药，Gal3 为 BRCA1 缺陷 TNBC 带来新治疗思路
BRCA1基因缺陷三阴性乳腺癌，化疗效果明明很好，为什么还是会复发？这篇 Nature Communications 借助单细胞转录组+空间转录组+成像质谱流式，在小鼠与人样本中解析微小残留病灶 MRD 的时空分子特征，发现 EMT 生态位是化疗后肿瘤细胞的庇护所，靶向 Galectin3 可以和化疗协同对抗耐药残留细胞，为降低复发开辟新方向。
该研究整合 单细胞RNA测序（scRNA-seq）、空间转录组 ST、IMC、类器官功能实验 等，从时空维度解析 BRCA1 缺陷肿瘤 MRD 的发生机制，并筛选验证可联合化疗的靶向分子。
①化疗会清除大量增殖肿瘤细胞，但EMT 生态位可耐受治疗持续留存；MRD 阶段肿瘤细胞增殖、凋亡通路下调，依靠肿瘤可塑性与微环境庇护实现耐药，并非完全靠新基因突变。
②顺铂耐药不等于药物递送不足，耐药肿瘤细胞同样可以摄取铂药物，单纯提升化疗剂量难以根除残留。
③小鼠 EMT 分子特征在人 BRCA1 缺陷乳腺癌高度保守；多临床队列证实 EMT 特征高表达，患者生存更差，可作为复发风险提示标志物。
④筛选 EMT 特征基因，锁定 Galectin3。类器官证实：抑制剂 GB1107 与化疗存在显著协同效应，有望清除 MRD。本研究也存在局限：人空间样本数量有限，尚待体内动物及临床试验进一步验证。
·技术手段 ·
1.动物模型
KB1P 小鼠模拟人 BRCA1 缺失的基底样三阴性乳腺癌；采集原发瘤、治疗后 7/12/30 天Residual病灶 MRD、复发肿瘤
2.多组学空间技术
🔵 单细胞RNA测序（scRNA-seq）：共鉴定出 8 大主要细胞类群，合计 23 个亚群
🔵 空间转录组 ST：解析组织分区，解析各生态位转录特征
🔵 IMC 成像质谱流式：和 ST 配准，直接检测组织切片里铂（Pt）元素信号，在单细胞水平看顺铂药物在组织内真实分布
3.人样本
BRCA1 缺陷乳腺癌，原发肿瘤，新辅助后Residual肿瘤
4.临床队列
SCANB、METABRIC、TCGABRCA 三个 TNBC 大队列，验证 signature 预后价值
5.体外功能验证
小鼠乳腺肿瘤类器官（tumoroid），药物组合、Bliss/ZIP/HSA 协同分析验证靶点
·核心发现 ·
1 MRD 的单细胞和空间转录组分析
研究团队针对原发肿瘤、残留（Residual）肿瘤以及复发肿瘤，开展单细胞 RNA 测序（scRNAseq）、空间转录组（ST）与成像质谱流式（IMC）多组学联合分析（图 1ab），并采用 TAC、顺铂两种化疗方案诱导构建微小残留病灶（MRD）模型。通过 scRNAseq 共鉴定出 8 大主要细胞类群，合计 23 个亚群；既包含表达 Krt14、Krt18 的肿瘤细胞簇，也涵盖肿瘤微环境（TME）各类组分：巨噬细胞（Cd68）、T 细胞（Cd3）、B 细胞（Cd19）、树突状细胞（Lsp1、Flt3）、NK 细胞（Ncr1、Klrb1c）、内皮细胞（Pecam1）以及成纤维细胞（Fn1）（图 1c）。
进一步解析肿瘤细胞簇，识别出高表达Mki67、Cdk1等细胞周期基因的高增殖肿瘤亚群；该群体可分化为两大谱系：基底样细胞（Krt17、Krt14、Krt5、Acta2）与管腔肺泡样细胞（Krt19、Krt18）。同时检测到携带 EMT 表型的肿瘤亚群，高表达Clu、Crip1、Lgals3等 EMT 相关基因。除此之外，还发现两个少见肿瘤亚群：巨噬细胞样肿瘤细胞（Ctss、Cd74）、成纤维细胞样肿瘤细胞（Zeb2、Arpc1b、Vim、Mgp）。细胞组分对比结果提示，MRD 阶段肿瘤微环境发生明显改变：M2 型、Spp1⁺巨噬细胞、T 细胞、NK 细胞等免疫细胞浸润显著增多，EMT 表型肿瘤细胞占比同样上调（图 1d）。肿瘤细胞的伪时间轨迹分析表明，肿瘤细胞可由增殖状态向管腔肺泡、基底 EMT 状态发生表型转换（图 1e）。
为解析 MRD 阶段肿瘤细胞、微环境细胞类型与细胞状态的空间排布特征，研究进一步挖掘空间转录组数据（图 1f）。在原发肿瘤组织内，增殖型、基底样、管腔肺泡样肿瘤细胞广泛均匀分布，而 EMT 阳性肿瘤细胞仅局限在肿瘤内部局部小区域。经化疗处理后，肿瘤细胞占比最高可下降 85%；与之相伴，TME 出现剧烈重塑，巨噬细胞等免疫细胞与成纤维细胞大量扩增（图 1g-h）。
图1 MRD 的单细胞和空间转录组分析
2 化疗诱导的MRD转录图谱变化
通过对推断得到的组织区室开展特征解析，研究共识别出 5 个肿瘤相关区室（0、2、5、8、10）以及 6 个肿瘤微环境（TME）相关区室（1、4、7、9、11、12），各个区室均具备独特的空间分布模式与基因表达谱（图 2a-b）。肿瘤相关区室中，增殖区室（5）占据原发肿瘤的绝大部分区域，以高水平细胞周期活性为主要特征，与肿瘤快速增殖生长的表型相契合；缺氧区室（10）在空间上毗邻肿瘤坏死核心，反映该区域面临代谢应激与供氧不足；而EMT 相关区室（2）富集细胞可塑性、迁移能力增强相关的分子特征，提示其参与肿瘤侵袭过程，并可能介导化疗处理后的细胞存活。
为解析肿瘤原发、微小残留病灶（MRD）以及肿瘤复发全过程中细胞微环境的时序演变规律，本研究对 TAC 化疗、顺铂化疗两组样本的 4 个时间节点开展分析，分别为：原发肿瘤、治疗后 7 天 MRD、治疗后 12 天 MRD 以及复发肿瘤。区室分布可视化结果显示，MRD 阶段肿瘤组织组分发生剧烈重塑（图 2c）。原发肿瘤以增殖区室（5）为主体，外周被纤维化基质区室（4）与免疫相关区室包绕；坏死核心周边以缺氧区室（10）为主，EMT 相关区室则弥散分布于肿瘤内部，无明显空间聚集偏向。
研究进一步聚焦增殖区室（5）、缺氧区室（10）和 EMT 相关区室（2）的时序动态改变（图 2d）。两种化疗方案干预后，增殖区室与缺氧区室占比均显著下降，至 MRD 阶段几乎耗竭；但 EMT 相关区室（2）的规模未见明显改变，说明该微环境及其内部细胞具备药物耐受特性，在化疗压力下可以稳定留存（图 2e）。
为建立组织区室和细胞类型的对应关系，研究将区室组分与细胞反卷积结果进行关联分析（图 2f）。肿瘤区室和肿瘤细胞亚群存在强对应关系：增殖区室（5）匹配增殖型、基底样肿瘤细胞；缺氧肿瘤细胞特异性定位于缺氧区室（10）；EMT 相关区室则和管腔肺泡EMT 肿瘤细胞群高度关联。免疫细胞同样和特定组织区室匹配，巨噬细胞大量富集在区室 1、11，浆细胞主要分布于区室 12。上述结果共同表明，MRD 阶段各类细胞微环境发生动态且可逆的重排与互作，同时证实耐化疗的 EMT 相关肿瘤微环境可稳定存续，是残留病灶的关键特征。
图2 肿瘤进展过程中微环境的时空动态
3 跨空间和时间尺度的MRD功能剖析
研究借助 PROGENy 工具推算癌症相关信号通路的活性得分（图 3a）。在原发肿瘤中，TRAIL 凋亡通路活性显著下调；该通路在治疗应答达到峰值时出现部分恢复，但在复发肿瘤中活性再度回落。p53、JAKSTAT 通路同样呈现这一动态变化模式，而 EGFR 与 TGFβ 通路的活性则逐步上调。通路微环境的关联分析显示，肿瘤微环境（TME）相关区室与 NFκB、TRAIL、p53、TGFβ、EGFR、JAKSTAT 及 TNFα 通路的激活密切相关（图 3b）。其中，增殖肿瘤区室（5）特异性关联 MAPK、PI3K 与雌激素信号通路；缺氧区室（10）则对应缺氧通路活性升高。通路活性的空间图谱进一步印证：TME 区室富集 JAKSTAT 通路，同时增殖肿瘤区域伴随 MAPK 通路激活、TRAIL 通路受抑制（图 3c）。
对各组织区室的特征表达进行解析：增殖区室（5）显著富集细胞增殖、DNA 复制相关通路；缺氧区室（10）以代谢重编程相关通路为特征；EMT 相关区室（2）主要富集细胞运动、细胞黏附功能；以成纤维细胞、结缔组织为主的基质区室（4、7、9）富集细胞外基质构建与维持相关信号；免疫富集区室（1、11）则显著富集免疫防御反应通路（图 3d）。
为进一步刻画肿瘤的时空重塑特征，研究解析原发、残留、复发肿瘤中各类细胞的共定位模式，揭示组织动态重排与区室化规律（图 3f）。原发肿瘤可划分出 3 个细胞共定位簇：免疫细胞簇 (1)、基质细胞簇 (2) 以及肿瘤细胞簇 (3)。进入 MRD 阶段，基质细胞与淋巴细胞、巨噬细胞共定位水平升高，形成重编程后的免疫基质混合细胞簇 (4)；残留肿瘤细胞大多聚集形成 EMT 相关微环境，和其他细胞空间互作很弱 (6)，仅小部分核心残留肿瘤细胞 (5) 存在细胞间空间关联。发展至复发肿瘤，免疫细胞簇 (7) 和浸润性基质细胞簇 (9) 的边界进一步模糊，而 EMT 细胞簇 (10) 依旧和主体肿瘤细胞簇 (8) 相互分离。整体来看，复发肿瘤的空间组织结构与原发肿瘤高度相似。此外，TME 免疫细胞和肿瘤细胞呈中等负相关，提示肿瘤区域免疫浸润水平有限，该现象在 MRD 阶段尤为突出。
图3跨空间和时间尺度的肿瘤功能剖析
4 乳腺肿瘤细胞对顺铂摄取的多模态表征
为从单细胞水平解析化疗药物摄取的空间异质性，研究对成像质谱流式（IMC）与空间转录组（ST）数据开展多模态整合分析，在肿瘤及微环境区室中共识别出 15 种细胞类型（图 4a-b）。IMC 检测结果显示，肿瘤组织外部铂元素浓度更高，而肿瘤细胞内部铂的分布相对均一（图 4c）。铂含量在给药后 4 小时（hpt）达到峰值，给药后 1 天（dpt）仍维持较高水平，之后显著回落，逐步趋近未处理对照组水平。研究依据细胞内铂的蓄积水平，将肿瘤细胞划分为低铂、中铂、高铂三个亚群（图 4d）。空间定位结果提示，铂大量蓄积的肿瘤细胞集中分布于坏死灶周边，研究将该类细胞定义为坏死边缘肿瘤细胞（图 4e）。
为验证细胞周期状态是否会影响顺铂的药物摄取，研究依据 Ki67 表达水平对肿瘤细胞进行分群（图 4f）。结果显示，细胞周期活跃与非活跃肿瘤细胞的平均胞内铂含量无明显差异，说明顺铂摄取总体不依赖细胞周期。但在给药后 4 小时，部分 Ki67 低表达的静息肿瘤细胞铂水平显著升高；空间定位证实这部分细胞恰好位于缺少增殖肿瘤细胞的坏死边缘区域。值得关注的是，坏死组织在给药仅 4 小时即可出现大量铂蓄积，该现象早于顺铂介导的肿瘤细胞死亡。综合以上结果提示：成纤维细胞、免疫细胞、坏死组织等局部微环境组分，是调控肿瘤内部铂药物分布的重要因素。
进一步分析肿瘤微环境各类细胞的铂蓄积水平，发现成纤维细胞与 M2 型巨噬细胞的胞内铂浓度最高（图 4g）。邻近共定位分析表明，M2 巨噬细胞与成纤维细胞在肿瘤各个发展阶段均存在紧密的空间毗邻关系。为探究转录特征和药物空间分布的关联，研究评估了胞内铂含量与各类细胞丰度的相关性，其中成纤维细胞、Spp1⁺巨噬细胞以及 CH 巨噬细胞与铂含量呈中等程度相关（图 4h-i）。研究继而借助可解释机器学习框架 MISTy 挖掘影响肿瘤细胞药物分布的分子与组织特征，结果表明：对胞内铂含量贡献最大的，是毗邻坏死核心的缺氧相关组织区室（区室 6、11、3）以及基底缺氧肿瘤细胞，凸显出肿瘤局部组织结构对化疗药物分布的关键调控作用（图 4j）。
图4顺铂吸收和分布的空间和转录决定因素
5 肿瘤微环境与人类乳腺癌中的微小残留病灶具有相似的分子特征
研究针对人原发肿瘤与残留肿瘤的空间转录组捕获位点开展差异基因分析：在原发肿瘤中共得到 2023 个上调基因，其中 203 个基因和小鼠数据集 799 个差异基因存在交集（图 5a）。反观残留病灶，人类 MRD 样本有 1896 个上调基因，小鼠 MRD 样本有 1000 个上调基因，二者共享 188 个基因，证明MRD 相关转录程序在人和小鼠之间具有保守性。EMT 特征基因在原发肿瘤与残留肿瘤间表达水平差异显著，其中包含可抑制 p53 依赖型衰老的JUND，以及调控细胞分化、运动与转移的CCN2、AHNAK、THBS1（图 5b-c）。差异基因分析进一步筛选出残留肿瘤的特征上调基因：PPP1R1B（已报道介导 HER2 阳性乳腺癌曲妥珠单抗耐药）、SNX9（可促进多种肿瘤发生转移）。而原发肿瘤的上调基因富集多个细胞周期调控分子，如CYC1、CYREN、CKS1B，契合未治疗肿瘤高增殖的生物学特征（图 5d）。借助 Chrysalis 工具解析人类肿瘤的分子组织区室，原发肿瘤的主体区域（区室 6、18）高表达LTF、SPIB、IFI6等基因；在部分残留肿瘤岛的周边，可观测到以CXCL14为标志的炎症微环境（区室 11），同时还存在离散分布的免疫细胞聚集区域（区室 7）（图 5e）。
残留肿瘤样本中 EMT 特征分数显著上调，并且与恶性上皮细胞的存在相关；而增殖特征仅在少数捕获位点出现中等程度升高。与之对应，原发肿瘤的增殖特征评分显著高于残留肿瘤（图 5g-h）。KaplanMeier 生存分析提示，EMT 特征高表达患者总生存期明显更差；METABRIC 队列结果与 SCANB 队列结论保持一致，EMT 低表达人群的 5 年无复发生存（RFS）显著优于 EMT 高表达人群（图 5i-j），证实 EMT 特征上调和临床不良预后存在关联。综上，BRCA1 缺陷小鼠乳腺肿瘤模型所鉴定的微环境分子特征，与人类乳腺癌尤其是残留病灶高度吻合；人和肿瘤共享 EMT、增殖相关转录程序，且这两套分子表达模式与患者不良临床结局密切相关。
图5 肿瘤微环境的分子特征与人类乳腺癌中的 MRD 相似
6 靶向EMT特征性靶点可选择性地增强类器官对化疗的敏感性
将 EMT 特征基因编码的蛋白与 PubChem 数据库做交叉比对，筛选可被小分子抑制剂靶向的候选靶点，最终选定 Gal3 的特异性抑制剂 GB1107 开展验证（图 6a）。Western blot 结果显示，未接受药物处理的肿瘤类器官中 Gal3 蛋白呈低表达状态；经顺铂或 TAC 方案化疗处理后，Gal3 表达水平显著上调（图 6b）。单因素方差分析证实，GB1107 抑制剂与化疗药物联用，能够显著放大顺铂、TAC 方案对肿瘤细胞的杀伤毒性。Bliss 协同分析结果确定了明确的药物协同作用窗口：当 GB1107 浓度为 10 μM、顺铂浓度处于 13 μM 区间时，二者的联合杀伤效应最为突出，该结果也得到其他协同评价模型的佐证（图 6e）。这些结果提示，靶向 EMT 微环境的特征基因（例如Lgals3），有望成为提升化疗应答效果的潜在治疗策略。
图6 靶向EMT特征性靶点可选择性地增强类器官对化疗的敏感性
参考文献
Túrós D, et al. Spatiotemporal organisation of residual disease in mouse and human BRCA1-deficient mammary tumours and breast cancer. Nat Commun. 2026 Jun 11;17(1):7456. doi: 10.1038/s41467-026-74125-6. PMID: 42277016; PMCID: PMC13408813.
开学焕XIN季
和元生物CRO多组学服务
和元生物提供多组学服务（如转录组、蛋白组、代谢组、微生物组等）和单细胞及空间转录组服务（如10x Genomics GEM-X单细胞转录组（V4.0）、10x Genomics单细胞转录组（V3.1）、10x单细胞转录组及TCR/BCR、墨卓单细胞转录组、DNBelab C-TaiM4单细胞转录组、10x HD空间转录组等），致力于为广大生命科学家、医学工作者提供基于多组学的科研及临床应用解决方案。累计协助客户在Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nature Aging、Cancer Research、Neuron、Advanced Science、Experimental & Molecular Medicine、Journal of Nanobiotechnology、Cell Death and Disease等期刊发表SCI论文，并推出了广受好评的生信分析云平台【https://analysis.obiosh.com/】，助您高效实现个性化数据挖掘！
