繪制癌癥免疫的代謝景觀圖譜是當前最受關注的研究領域之一。盡管細胞外通量分析、同位素示蹤和穩(wěn)態(tài)代謝組學等常規(guī)技術已經為腫瘤免疫的代謝表征奠定了方法學基礎，但它們仍然難以完全捕捉代謝的復雜性和時空異質性。

近日，重慶大學附屬腫瘤醫(yī)院李詠生/趙化侃團隊在Molecular Cancer（影響因子：27.7，腫瘤學/生化與分子生物學中科院1區(qū)Top期刊）在線發(fā)表題為Spatiotemporal metabolomic approaches to the cancer-immunity panorama: a methodological perspective的長篇綜述文章，從方法學視角全面總結了當前利用時空代謝組學和代謝調控組學解析腫瘤免疫代謝景觀的策略，強調了它們在表征腫瘤免疫動態(tài)性與異質性中的關鍵作用，并為腫瘤免疫學領域的未來研究提供了前瞻性的方法學見解。

腫瘤從多個尺度塑造了獨特的免疫代謝異質性特征（圖1）。腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment, TME）缺乏營養(yǎng)和有害代謝物的積累，形成了一個獨特的代謝生態(tài)位。這迫使癌細胞和免疫細胞競爭局部的有限營養(yǎng)物質，導致其能量代謝模式發(fā)生適應性改變。其中，癌細胞表現(xiàn)出強大的代謝適應性，即在波動的營養(yǎng)條件下優(yōu)化代謝產物利用和加工效率，使得癌細胞能夠剝奪抗腫瘤免疫細胞的關鍵營養(yǎng)資源。此外，TME中積累的大量毒性代謝物可作為信號分子破壞免疫細胞的穩(wěn)態(tài)，進而損害其抗腫瘤功能。在機體水平上，腫瘤剝奪宿主的營養(yǎng)物質以誘導惡病質，并能夠通過影響神經內分泌系統(tǒng)和微生物組等重塑機體造血-免疫系統(tǒng)。反之，外源性因子如運動、飲食和藥物等也能夠對腫瘤患者的免疫代謝景觀進行塑造。

以低通量和低分辨率的常規(guī)代謝測量技術所輸出的數(shù)據(jù)通常反映的是已知免疫細胞群體中代謝狀態(tài)的卷積和，這使得我們無法描述單個免疫細胞內代謝物豐度和代謝途徑激活強度。利用常規(guī)技術所搭建的工作流通常也是“假說驅動”的，這會限制我們對TME和免疫應答過程中所涉及異質性細胞亞群的系統(tǒng)性理解。新興的單細胞代謝組學和代謝調控組學部分克服了這些限制，可提供無偏的全景式代謝分析，并促進了研究者利用“數(shù)據(jù)驅動”新范式探索腫瘤免疫學關鍵問題（圖2）。

其中，單細胞高通量代謝組學直接揭示細胞間代謝異質性，但由于其發(fā)展較晚，目前尚無商業(yè)化方案供研究者使用（圖3）。單細胞轉錄組學是當前最成熟的高通量單細胞組學技術，其提供的轉錄組水平數(shù)據(jù)可以直接用于單細胞水平代謝調控網絡建模，為腫瘤免疫代謝研究提供單細胞水平動力學見解。基于高維流式的單細胞蛋白組學提供了代謝關鍵酶和部分代謝物的準確表達水平，為理解免疫代謝調控提供高信度證據(jù)。

圖 2. 當前代表性的單細胞水平代謝組學和代謝調控組學策略

圖 3. 關鍵單細胞代謝組學技術的發(fā)展歷程

空間關系是解析癌癥-免疫互作過程中代謝細節(jié)的另一重要維度。利用冰凍組織切片等常見病理學資源進行空間代謝組學和調控組學研究能夠獲取關鍵代謝物和代謝途徑的空間分布信息（圖4）。其中，基于質譜成像技術的空間代謝組學已經廣泛被用于解析TME中的代謝物空間異質性，且由于其能夠快速、低成本處理批量樣本的能力，它將有潛力成為可應用于大規(guī)模隊列中免疫表型檢測的下一代工具。類似地，空間轉錄組學和空間蛋白組學從代謝調控組的角度解析空間中的免疫代謝異質性，仍然是當前探索腫瘤空間生物學的主力工具。

圖 4. 空間可分辨的代謝組學及代謝調控組學策略

新陳代謝具有高度動態(tài)性，過去對癌癥-免疫互作過程中代謝動力學性質的理解主要來源于對離體細胞和組織的解析。需要注意的是，越來越多的研究開始關注機體內環(huán)境對免疫代謝動力學的擾動效應，這使得對能夠直接進行活體代謝組監(jiān)測的方法需求日益增長。當前的活體代謝組動力學監(jiān)測策略主要分為：

①利用微探針技術對單個活細胞進行連續(xù)無損采樣，進而與代謝組學或轉錄組學工作流耦聯(lián)，以探測其動態(tài)代謝變化。

②利用靶向代謝和免疫譜系標志物的示蹤劑（如核素耦聯(lián)抗體）對機體進行時序影像學監(jiān)測，以獲得感興趣免疫細胞群體和代謝途徑在機體水平的動態(tài)變化（圖5）。

圖 5. 實現(xiàn)體內免疫代謝示蹤的活細胞及機體成像策略

免疫代謝對內外環(huán)境擾動高度敏感，個體間多態(tài)性較大，被認為接近真實的“免疫表型”。因此，免疫代謝相關表型是監(jiān)測免疫治療反應的有價值生物標志物?；诖x的時空組學技術將為大規(guī)模的癌癥免疫表型研究提供快速且經濟有效的策略。這些技術中的多數(shù)仍處于原型階段，也正在面臨一些關鍵挑戰(zhàn)，諸如：非靶向代謝物檢測仍假陽性過高；以代謝組為中心的多組學整合與分析工具仍缺乏等。總之，隨著這些技術分辨率和可及性的進步，時空代謝組學將有望促進更有效和更安全的抗癌免疫療法開發(fā)。

本文共同通訊作者為重慶大學附屬腫瘤醫(yī)院腫瘤內科主任李詠生教授和趙化侃副研究員，第一作者為重慶大學醫(yī)學院2023級研究生肖楊。

李詠生教授團隊長期致力于腫瘤免疫代謝研究，以第一/通訊作者在Immunity、Med、STTT、Nat Commun、Sci Adv、Cancer Res等期刊發(fā)表論文80余篇。該團隊專注“脂代謝重編程與TME”研究：創(chuàng)新脂質組學系列檢測分析技術，繪制首個腫瘤炎癥消退圖譜；闡明脂代謝重編程介導腫瘤發(fā)生、轉移及耐藥的機制；并開展了一系列靶向脂代謝重塑TME的轉化醫(yī)學研究。

參考文獻

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