Custom Probe-Based Spatial Transcriptomics Enables Microbiome Detection in FFPE Colorectal Cancer Tissue

在每一处肿瘤内部，都隐藏着一个世界。多年来，科学家们一直知道细菌生活在人类癌症之中，它们不仅仅是偶然的乘客，更是积极的参与者，能够影响疾病的生长方式、免疫系统的反应，甚至影响患者对治疗的反应。这些微观群落并非随机散布；它们在组织内形成了特定的“邻里”，并以复杂的方式与人类细胞相互作用。为了理解这些相互作用，研究人员需要看到细菌相对于人类细胞的位置，就像一张既显示房屋又显示居住在其中的人的地图一样。长期以来，这种详细的绘图仅能通过新鲜组织样本实现，而新鲜样本非常稀缺且难以收集。然而，绝大多数医学记录由保存在蜡块中的组织组成，这种方法已沿用了数十年，但此前被认为由于降解严重，无法进行这种高分辨率的细菌侦探工作。

一支研究团队现在弥补了这一差距，开发出了一种在这些保存的组织样本中绘制细菌图谱的新方法。通过改进一种旨在读取人类基因的技术，他们创建了一套定制的分子工具，这些工具也可以寻找并定位特定类型的细菌。他们在结直肠癌样本上测试了这种方法，在这种疾病中，细菌与肿瘤之间的关系尤为重要。他们的工作证明，在不丢失读取人类遗传密码能力的前提下，通过旧的存档医学标本观察微生物的空间排列是完全可能的。这为研究数十年前存储的患者样本开启了大门，从而了解细菌如何以以前无法察觉的方式影响癌症。

研究人员首先设计了一套新的分子探针，这些探针本质上是能够粘附在特定遗传序列上的微型定制标签。在这种情况下，他们针对的是细菌的遗传密码，特别是被称为 16S rRNA 的分子的可变区，该分子是不同细菌群落的独特标识符。他们构建这些探针是为了配合一种名为 Visium CytAssist 的现代成像平台，该系统可以在保持组织原始形状和位置完整的同时，捕捉其遗传信息。挑战在于如何让这些细菌探针与用于读取人类基因的标准探针协同工作，确保两个系统不会互相干扰。他们创建了一个包含 195 对探针的集合，针对 15 种已知与结直肠癌相关的细菌组，并将它们混合到标准测试试剂盒中。

为了测试这种新方法是否有效，团队将该方法应用于六份保存在蜡块中的结直肠组织样本。其中三个样本来自肿瘤，另外三个来自同一患者肿瘤附近的健康组织。整个过程包括对组织进行切片、用定制探针混合物进行处理，然后使用机器读取遗传信号。结果立竿见影且清晰：系统成功地在同一组织切片中同时检测到了人类基因和细菌信号。至关重要的是，细菌探针的存在并未干扰人类基因的读取。当研究人员分析人类遗传数据时，细胞按照预期的模式进行组织，形成了结肠衬里、肌肉层和免疫细胞的清晰分组，这与新鲜组织中的表现一致。这证实了新方法可以安全使用，且不会破坏存储在保存样本中的脆弱信息。

最令人兴奋的发现出现在研究人员观察细菌位置的时候。在健康组织样本中，细菌信号主要发现于结肠的最表层，即衬里处，这符合已知的人类健康肠道中细菌的自然生存方式。然而，肿瘤样本讲述了一个更复杂的故事。在大多数肿瘤样本中，细菌以微小的、集中的集群形式存在。但有一个特定的肿瘤样本表现得极为突出：它含有比其他样本高得多的细菌信号，而且这些细菌不仅仅停留在表面，而是深深嵌入在肿瘤组织内部。

当研究人员仔细观察这个高信号肿瘤中的细菌类型时，他们发现了两个主要组别：一组与名为 Porphyromonas 的属相关，另一组与 Bacteroides-Phocaeicola 相关。虽然这两组细菌都遍布整个肿瘤，但它们在向组织深处渗透的过程中遵循着不同的路径。其中一组似乎以不同的方向或速率渗透进肿瘤。这表明不同类型的细菌可能以独特的方式入侵肿瘤，并可能与周围的人类细胞产生不同的相互作用。能够在单个样本中观察到这些截然不同的模式是旧方法无法实现的，因为那些方法会将所有细菌混合在一起，从而丢失了关于每种类型实际生活位置的信息。

这项研究并不声称已经解开了细菌导致癌症的谜团，也没有证明这些特定细菌是该疾病的唯一驱动因素。相反，它确立了一种新的能力。它表明，科学家现在可以利用世界各地医院中保存的庞大组织档案，开始高精度地绘制其中的细菌群落图谱。研究人员指出，由于其方法使用特定的探针，因此只能找到他们设计的探针所针对的细菌，这意味着他们无法通过这种特定的设置发现全新的、未知的物种。然而，该系统具有足够的灵活性，未来可以通过增加更多探针来进行扩展。

研究结果还强调了观察微生物空间排列的重要性。不同细菌在同一肿瘤内表现出不同分布模式的事实，表明它们的位置至关重要。有些可能潜伏在表面，而有些则在积极渗透进癌症的核心。这种细节水平此前是从最常见的医疗标本中无法获得的。通过证明这种技术在福尔马林固定、石蜡包埋组织上的有效性，研究人员提供了一个通用的框架，可以应用于其他疾病和其他类型的保存样本。它改变了科学家回顾医学历史的方式，使他们能够提出关于人体内存在的隐形微生物世界及其如何塑造我们健康的新问题。