耶鲁樊荣等：３维多组学肿瘤图谱

摘要人类肿瘤由高度异质、存在复杂相互作用的细胞类群构成在维空间中形成动态生态系统伴随癌前病变发生、肿瘤起始、进展、侵袭至转移全程持续演化。从全景维层面解析肿瘤演化的核心规律是提升癌症早期干预与治疗能力的关键。空间多组学技术的兴起与维肿瘤图谱的构建正逐步回应这一核心需求——相关研究致力于从时空维度解析癌前病变、肿瘤及其周边生态系统内的精细互作。本综述梳理了肿瘤图谱领域内外研发的新兴技术工具探讨其在构建全面维肿瘤图谱中的应用潜力。这类图谱有望发掘新型生物标志物用于肿瘤风险分层、早期检测、预防性干预以及开发颠覆性诊疗策略。此外维肿瘤图谱可揭示驱动人类肿瘤演化的分子与细胞机制为癌症生物学领域的前沿研究与技术创新奠定基础。rong.fanyale.edusiyuan.wangyale.edul2shiucsd.eduwirtzjhu.edukiemenjhmi.edu#三维肿瘤图谱 #轴向分辨率 #数据整合 #衍射极限 #福尔马林固定石蜡包埋块 #基础模型 #生成式人工智能模型 #汉明码 #亨氏单位 #人类肿瘤图谱网络 #图像配准 #各向同性分辨率 #光学相干断层扫描 #光流模型 #最优传输理论 #光声遥感 #光漂白 #正电子发射断层扫描 #拉曼光谱 #滚环扩增 #灵敏度 #空间多组学 #超分辨成像 #三级淋巴结构 #Tn5标签化 #迂曲度 #肿瘤生态系统 #振动显微镜 #X线衰减维肿瘤图谱的构建技术切除组织样本的图谱构建技术表1 3维肿瘤图谱技术在癌症研究中的应用非破坏性体成像技术图13维肿瘤图谱构建中的无创成像与非破坏性体成像技术3维肿瘤图谱的构建方法分为无创成像与非破坏性体成像2类。无创成像技术可对活体原位肿瘤进行成像包括计算机断层扫描CT、磁共振成像MRI、超声、正电子发射断层扫描PET、光学相干断层扫描OCT和多光谱光声断层扫描MSOT。非破坏性体成像的起始样本可为福尔马林固定石蜡包埋FFPE组织块或新鲜切除的组织标本。临床存档的FFPE样本如粗针穿刺活检组织是3维病理研究的常用材料经脱蜡、通透、苏木精-伊红HE或类似染料染色、包埋、组织透明化等标准流程处理后可通过光片荧光显微镜尤其是开放式光片显微镜完成3维成像最终重建3维肿瘤图谱。此外FFPE组织块也可从塑料包埋盒中分离后通过显微计算机断层扫描microCT进行X射线成像同样可重建3维肿瘤图谱。常用的组织透明化技术包括 CLARITY、溶剂透明化器官免疫标记3维成像技术iDISCO、透明无遮挡脑成像混合液与计算分析技术CUBIC以及原位免疫荧光标记透明肿瘤样本诊断技术DIIFCO。新鲜切除的组织标本可制备为厚组织切片用于3维蛋白或RNA成像。样本经4%多聚甲醛PFA或10%中性缓冲福尔马林NBF固定后切为100~310 μm的厚切片经通透、蛋白标记物染色或RNA转录本靶向寡核苷酸探针杂交后进行水凝胶包埋以交联mRNA或cDNA扩增子再完成组织透明化最终通过共聚焦显微镜或光片荧光显微镜实现蛋白或RNA的3维成像。为实现3维多重RNA成像需提升RNA信号的信噪比以保证检测稳定性可通过深度学习信号增强、滚环扩增RCA或杂交链式反应HCR信号放大实现。3维肿瘤图谱的应用包括稀有细胞类型鉴定、肿瘤负荷定量、3维脉管特征测量、免疫细胞组成3维解析及3维空间邻域分析。smFISH单分子荧光原位杂交TCRT细胞受体。基于连续切片的构建技术图2基于连续切片的3维肿瘤图谱构建流程基于连续切片的3维肿瘤图谱构建首先将组织连续切割为厚度通常为4 μm、10 μm甚至35 μm的切片。对连续HE染色切片进行计算配准与对齐可重建3维组织形态对相邻切片开展空间多组学检测并整合数据可生成全景式3维分子肿瘤图谱。空间多组学技术快速发展可解析分子生物学中心法则各层级的分子特征覆盖基因组与表观基因组、全转录组、蛋白质组、代谢组及细胞器生物学的空间解析基因组与表观基因组通过微流控通道递送空间连接条形码可解析空间染色质开放状态、组蛋白修饰或DNA甲基化通过染色质示踪技术可解析3维基因组结构通过玻片DNA测序生成的空间拷贝数变异CNV图谱可重建肿瘤克隆的空间分布。转录组分为测序法与成像法2类。测序法包括激光捕获显微切割分离空间定位单细胞、空间条形码载体捕获RNA、微流控通道递送空间条形码等技术路径其中病理兼容型DBiT技术可检测微小RNA、转运RNA、RNA异构体和长链非编码RNA等全类型RNA成像法通过多重成像或原位测序直接解析亚细胞水平的RNA表达与定位。蛋白质组通过寡核苷酸条形码抗体循环成像或金属标记抗体结合质谱读取实现空间蛋白表达检测代表技术包括循环免疫荧光、索引共检测技术、成像质谱流式、多重离子束成像。代谢组与化学成像包括拉曼成像、受激拉曼散射成像以及飞行时间2次离子质谱、基质辅助激光解吸电离质谱成像、解吸电喷雾电离质谱成像等质谱成像技术。结构成像补充3次谐波成像可用于富含胶原的细胞外基质结构检测。综上连续切片结合计算配准可将相邻切片的组织病理、基因组、表观基因组、转录组、蛋白质组、代谢组及细胞外基质信息整合为3维肿瘤图谱。ATAC-seq转座酶可及染色质高通量测序CTCFCCCTC 结合因子ER内质网IF免疫荧光PCR聚合酶链式反应UMI唯一分子标识符。肿瘤研究中的空间多组学技术表2空间多组学技术汇总空间转录组生物学框1 空间转录组技术空间转录组技术主要通过类策略实现RNA表达的空间解析区域选择法、测序型空间条形码法、成像型原位检测法。区域选择法通过激光捕获显微切割、连续薄组织切片、光照激活等方式分离目标区域代表技术包括LCM测序、Tomo-seq、光控条形码标记技术等可实现单细胞精度的自定义区域选择兼容活组织但可检测区域数量通常有限。测序型空间条形码法在捕获表面固定空间条形码阵列或在原位向反转录cDNA 递送空间条形码代表技术包括空间转录组芯片、Visium、Slide-seq、Stereo-seq、DBiT-seq等可实现全转录组覆盖分辨率从百微米级到亚微米级不等。成像型原位检测法分为荧光原位杂交FISH类与原位测序ISS类。FISH类通过多重编码解码实现大量RNA的单分子定位代表技术包括MERFISH、seqFISH 等ISS类通过padlock探针与滚环扩增实现靶向或无偏原位测序。类技术均可达亚细胞分辨率FISH类检测灵敏度更高无偏ISS类检测效率相对较低。计算方法与人工智能模型表3 计算数据分析与3维肿瘤图谱构建方法汇总数据解读与下游分析图33维肿瘤图谱数据分析的计算方法流程在采集肿瘤演化全程的空间多组学数据后数据预处理步骤通过测序读长比对或原始图像处理将原始数据转化为包含细胞标签与空间坐标的特征矩阵。完整分析流程包括图像伪影去除、跨平台与跨模态数据整合、缺失切片插值、3维重建及下游数据解读。空间邻域分析、细胞间通讯、空间差异基因鉴定和空间动态演化是核心下游分析任务。TCRT细胞受体MHCI主要组织相容性复合体I类PD1程序性细胞死亡蛋白1PDL1程序性细胞死亡蛋白1配体1FC倍数变化。结论与未来展望图43维肿瘤图谱的临床转化路线图3维肿瘤图谱的技术突破有望重塑临床癌症诊疗模式其转化路径分为2条3维数字病理路径以及全景3维分子肿瘤图谱临床应用路径。3维数字病理路径3维病理利用3维肿瘤图像或标注的3维特征开展临床诊断与预后评估。临床数据库包含患者存档FFPE样本与病历信息存档FFPE样本可经HE或同类染料染色后通过光片荧光显微镜3维成像也可直接通过显微CT成像。基于人工智能的3维病理主要采用2类策略① 端到端模式以完整3维肿瘤图像为输入直接输出诊断或预后结果② 特征提取模式提取3维肿瘤图像中的血管几何形态、腺体结构、导管特征、肿瘤密度等量化特征再预测诊疗与预后结果。由于流程相对简便3维病理未来可实现自动化并大规模应用于临床患者分层但仍需病理医师监督以保障诊断准确性。全景3维分子肿瘤图谱临床路径构建全景式3维分子肿瘤图谱并应用于临床。可利用配对的空间多组学与病理组织学数据集训练基础模型当前及未来的人工智能模型可实现从2维/3维病理图像预测2维/3维空间转录组图谱从未染色组织生成虚拟病理染色基于时序采集的3维肿瘤图谱数据集预测肿瘤进展。这类模型可挖掘大规模回顾性临床数据库在细胞类型鉴定、治疗应答预测、预后评估、基因调控网络鉴定、生物标志物与治疗靶点发现、个体化肿瘤诊疗等方面具备巨大转化与临床潜力。KI基因敲入KO基因敲除。详细总结思维导图mindmap脑图参考Nat Rev Cancer. 2026 Jun 15. doi: 10.1038/s41568-026-00940-0.3D multi-omics tumour atlases: from technology to biology and clinical translation注AI辅助创作如有不当欢迎指出。内容仅供参考不构成任何建议。