空间多组学助力揭示脑肿瘤中的微生物信号
题目：Microbial signals in primary and metastatic brain tumors
期刊：Nature Medicine
影响因子：50
DOI：10.1038/s41591-025-03957-4
研究背景
胶质瘤及脑转移瘤是成人最常见的恶性脑肿瘤，预后较差，通常对免疫治疗反应不佳。传统观点认为血脑屏障严格限制微生物进入，脑组织被认为是低微生物区域。然而，近年来的研究已在脑肿瘤中检测到细菌核酸信号，尽管这些结果容易受到污染的影响，且一直存在争议。鉴于这一领域长期存在“真实信号 vs 污染假象”的核心难题，本研究采用严格的污染控制措施以及多种空间多组学技术，多角度验证了原发性与转移性脑肿瘤中微生物信号的真实存在。并通过CosMx SMI与GeoMx DSP空间多组学技术，确认细菌信号主要以细胞内形式存在于肿瘤微环境中，并揭示这些低丰度、不可培养的细菌与局部免疫反应和代谢重编程密切相关。这些发现将微生物纳入脑肿瘤微环境，为后续机制研究和免疫治疗策略提供了基础。
实验设计与技术手段
本研究纳入了221例患者的243个样本，包括168个胶质瘤和脑转移瘤样本，以及75个非癌性或肿瘤邻近组织样本。研究首先采用RNAScope 16S rRNA FISH、LPS（脂多糖：革兰氏阴性菌外膜的主要成分）免疫组化及标准培养进行初步验证，随后重点依托空间多组学技术进行深入解析。
CosMx SMI：在胶质瘤（n=19）和脑转移瘤（n=9）TMA（组织芯片）上，使用Human 6K Discovery + 定制16S探针，对近10万个单细胞进行高分辨率成像，精确定位细胞内16S信号并明确其在各类细胞中的分布。
GeoMx DSP：在胶质瘤（n=31）和脑转移瘤（n=19）TMA上选取数百个ROI，使用Whole Transcriptome Atlas（~18,000基因） + 免疫-肿瘤蛋白panel + 定制16S探针，系统揭示16S信号高表达区域显著富集免疫反应及代谢通路。
此外，研究还结合了16S扩增子与宏基因组测序等技术进行辅助验证，并在全程中实施了严格的无菌操作和多重对照，以确保结果的准确性和可靠性。
主要发现
1、脑肿瘤中微生物信号的细胞内分布分析
该研究在胶质瘤和脑转移瘤中均检测到细菌16S rRNA和LPS信号，主要以细胞内形式存在于肿瘤细胞、巨噬/小胶质细胞、星形胶质细胞及内皮细胞。CosMx SMI高分辨率成像显示，胶质瘤中0.65%、脑转移瘤中0.3%的细胞含有高置信度细胞内信号，非癌脑组织基本阴性。
脑肿瘤中微生物信号的细胞内分布
2、细菌信号与免疫激活的关系
利用空间转录组GeoMx DSP检测发现，16S信号高的区域充满“抗菌免疫”痕迹，包括细菌感知通路、危险信号分子和抗菌蛋白的全面激活。脑转移瘤中还伴随中性粒细胞趋化因子与酶类上调。多重免疫荧光证实，CD16⁺中性粒细胞显著增多。上述结果表明，脑肿瘤内低丰度细菌是驱动局部抗微生物免疫反应和代谢重编程的重要因素。
细菌信号与免疫激活的关系
3、细菌信号在肿瘤微环境中的空间分布
CosMx SMI结果显示，16S阳性细胞在肿瘤组织内呈明显的局灶性聚集，而非均匀散在，且与组织位置无关，排除技术偏移。且这些阳性细胞主要分布于肿瘤细胞核旁或胞质内，周围常伴CD68⁺巨噬/小胶质细胞、GFAP⁺星形胶质细胞和血管内皮细胞密集环绕，形成局部“免疫-基质微生态位”。这种局灶性的空间模式，强有力地提示低丰度细菌并非污染产物，而是脑肿瘤微环境中真实存在的功能性组分，并可能持续刺激局部免疫反应。
细菌信号在肿瘤微环境中的空间分布
4、微生物信号与肿瘤代谢及远端微生物群的潜在联系
进一步分析发现，16S信号高表达区域伴随多个代谢通路（糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化和脂肪酸代谢）显著激活，提示局部能量需求增加。对新鲜及冷冻肿瘤样本进行14天的有氧/厌氧培养，未见任何菌落生长，表明脑肿瘤中不存在可培养的活跃微生物组，仅为低丰度细菌状态存在。此外，宏基因组测序发现肿瘤内细菌序列与患者口腔和肠道微生物群高度重叠，提示微生物可能通过血行播散进入脑肿瘤。这些发现揭示了微生物信号在脑肿瘤中的潜在作用及与远端微生物群的联系。
肿瘤中的微生物信号与远端微生物群的潜在联系
总结
本研究通过多模态空间技术与严格验证，首次系统地证实了胶质瘤和脑转移瘤中存在低丰度的细菌，与活跃的微生物组不同，这些细菌主要存在于细胞内。这些细菌可持续激活先天免疫通路和代谢重编程，并与患者口腔/肠道微生物群相关。该发现将微生物正式纳入脑肿瘤微环境的重要组成，为评估免疫微环境状态、预测治疗反应以及开发联合抗生素或TLR激动剂的治疗策略提供了新思路。
