# 第 01 章 肿瘤微环境与细胞通讯的生物学基础

> 本章是全书生物学知识的“地基”。没有编程，只有概念——但请认真读，后面每一章都会用到这里的名词。

## 本章目标

读完本章后，你应该能：

1. 说出肿瘤微环境的六大组分及其各自角色；
2. 区分自分泌、旁分泌、近分泌、内分泌四种通讯形式；
3. 说出六条教学通讯通路的配体、受体与生物学含义；
4. 用“免疫抑制、血管生成、EMT、促纤维化”四条主线解释肿瘤如何重编程微环境；
5. 理解“空间”视角对研究肿瘤微环境为什么必不可少。

## 1.1 肿瘤微环境：癌细胞不是孤军奋战

长期以来的“肿瘤等于癌细胞”观念已被修正。现在的共识是：肿瘤是一个由多种细胞与细胞外基质共同组成的生态系统，这个系统叫作**肿瘤微环境**（tumor microenvironment, TME）。六个核心成员：

1. **癌细胞**（cancer cell）：肿瘤的主体，携带驱动突变，无限增殖、逃避凋亡；
2. **癌症相关成纤维细胞**（cancer-associated fibroblast, CAF）：被肿瘤“招募”并激活的成纤维细胞，分泌细胞外基质、生长因子与趋化因子，是基质区的核心成员；
3. **免疫细胞**：包括**CD8 T 细胞**（细胞毒性 T 细胞，负责杀伤肿瘤细胞）、**巨噬细胞**（macrophage，常被肿瘤“策反”为促肿瘤表型）、**B 细胞**（产生抗体、呈递抗原）、**自然杀伤细胞**（natural killer cell, NK 细胞，天然免疫杀伤）；
4. **血管内皮细胞**（endothelial cell）：构成血管内壁，在肿瘤中大量新生（血管生成）；
5. **细胞外基质**（extracellular matrix, ECM）：胶原（collagen）、纤连蛋白（fibronectin）等构成的支架，既是物理支撑，也储存信号分子；
6. 其他成员：中性粒细胞、肥大细胞、脂肪细胞等，本书从简处理。

这些细胞不是各干各的，而是通过**细胞通讯**（cell-cell communication, CCC）密切对话。癌细胞会“改造”周围的正常细胞为自己服务——这正是“微环境重编程”概念的起点。

书中识别这些细胞类型靠的是 marker 基因（第 09 章正式使用），先混个脸熟：

```r
# 全书统一的细胞类型 marker 基因（00-TECH 第 7 节）
markers <- list(
  肿瘤细胞 = c("EPCAM", "KRT8", "KRT19"),
  CAF      = c("COL1A1", "COL3A1", "DCN", "PDGFRA"),
  CD8_T    = c("CD3D", "CD8A", "GZMB"),
  巨噬细胞 = c("CD68", "CD163", "C1QA"),
  B细胞    = c("MS4A1", "CD79A"),
  内皮细胞 = c("PECAM1", "VWF")
)
print(markers[["CAF"]])   # 查看 CAF 的 marker 基因
```

**运行结果解读：** 输出 `"COL1A1" "COL3A1" "DCN" "PDGFRA"`。这些基因在对应的细胞类型里高表达，是第 09 章注释 spot 的“字典”。

## 1.2 细胞通讯的基本形式：配体与受体

细胞之间的对话靠**配体-受体**（ligand-receptor, L-R）互作完成：一个细胞分泌或展示**配体**（ligand，信号分子），另一个细胞表面的**受体**（receptor）识别并结合配体，从而被“激活”。按配体如何到达受体，分为四种形式：

- **自分泌**（autocrine）：细胞分泌配体作用于自身，形成自我强化回路；
- **旁分泌**（paracrine）：配体扩散到邻近细胞，是肿瘤微环境中最常见的形式；
- **近分泌**（juxtacrine）：配体锚定在细胞膜上，必须与相邻细胞“面对面”接触才能结合；
- **内分泌**（endocrine）：配体经血液循环到达远处的靶细胞，在局部肿瘤微环境中较少见。

![图 1-1 细胞通讯的三种模式。旁分泌（paracrine）：分泌型配体作用于邻近细胞，如 CXCL12→CXCR4；近分泌（juxtacrine）：膜结合配体与相邻细胞直接接触，如 PD-L1→PD-1；自分泌（autocrine）：细胞分泌的配体作用于自身。](figures/fig05_ligand_receptor.png){width=85%}

图 1-1 展示了最常讨论的三种模式。注意旁分泌与近分泌的区别在于配体是否“出门”：CXCL12 是分泌出去的，PD-L1 则是长在细胞膜上的。这个区别很重要——近分泌只有在两种细胞**空间相邻**时才可能发生，这正是本书强调空间分析的原因之一。

## 1.3 六条关键通讯通路

本书的教学通路全部来自 CellChat 数据库（CellChatDB.human，第 11 章详解），是真实存在的配体-受体对。先看看数据库里它们长什么样：

```r
# 查看 CellChat 数据库里的教学通路（第 11 章正式使用）
if (requireNamespace("CellChat", quietly = TRUE)) {
  db <- CellChatDB.human$interaction
  teach <- c("CXCL", "PD-L1", "TGFb", "VEGF", "MIF", "GALECTIN")
  print(db[db$pathway_name %in% teach,
           c("ligand", "receptor", "pathway_name")])
} else {
  message("CellChat 未安装，先看本节的表格即可。")
}
```

**运行结果解读：** 输出六条通路的配体（ligand）、受体（receptor）与通路名（pathway_name）。你会发现数据库里的写法（如 TGFb）与正文写法（TGF-β）略有差异，这是命名习惯问题，不影响分析。

六条通路逐条解释（配体-受体对与 00-TECH 第 5 节一致）：

**① 趋化因子：CXCL12–CXCR4。** CXCL12（又称基质细胞衍生因子 SDF-1）主要由 CAF 与基质细胞分泌，受体 CXCR4 在癌细胞与部分免疫细胞表面表达。这条轴促进癌细胞迁移与“归巢”，是转移研究的热点，同时参与免疫细胞招募。

**② 免疫检查点：PD-L1（CD274）–PD-1（PDCD1）。** 肿瘤细胞表面高表达 PD-L1，T 细胞表面表达受体 PD-1。两者结合会“踩刹车”，抑制 T 细胞的杀伤功能——这是肿瘤免疫逃逸的核心机制，也是免疫治疗（抗 PD-1/PD-L1 抗体）的靶点。

**③ 生长因子：TGF-β（TGFB1）–TGFBR2。** TGF-β 由肿瘤细胞与 CAF 分泌，通过受体 TGFBR2 传递信号，驱动**上皮-间质转化**（epithelial-mesenchymal transition, EMT）、免疫抑制与基质重塑，是侵袭前沿最活跃的通路之一。

**④ 血管生成：VEGF（VEGFA）–VEGFR2（KDR）。** 肿瘤快速生长导致**缺氧**（hypoxia），缺氧诱导癌细胞分泌 VEGFA，激活内皮细胞上的受体 KDR（VEGFR2），刺激新生血管为肿瘤供氧供营养。抗血管生成药物（如贝伐珠单抗）即靶向这条轴。

**⑤ 炎症与免疫调节：MIF–CD74。** 巨噬细胞迁移抑制因子（MIF）与 CD74 结合，促进炎症、招募并极化巨噬细胞，与肿瘤进展和不良预后相关，是 CellChat 教学数据库中的代表通路之一。

**⑥ 凝集素检查点：Galectin-9（LGALS9）–TIM-3（HAVCR2）。** 肿瘤与基质细胞表达 Galectin-9，与耗竭 T 细胞表面的 TIM-3 结合，诱导 T 细胞凋亡或功能耗竭，属于“第二代”免疫检查点，也是本书重编程分析的重点候选通路。

| 通路名 | 配体（ligand） | 受体（receptor） | 一句话含义 |
| --- | --- | --- | --- |
| CXCL | CXCL12 | CXCR4 | 趋化迁移、免疫招募 |
| PD-L1 | CD274 | PDCD1 | 免疫检查点，抑制 T 细胞 |
| TGFb | TGFB1 | TGFBR2 | EMT、免疫抑制、基质重塑 |
| VEGF | VEGFA | KDR | 血管生成 |
| MIF | MIF | CD74 | 炎症与巨噬细胞调节 |
| GALECTIN | LGALS9 | HAVCR2 | 检查点，诱导 T 细胞耗竭 |

（说明：表头里的 CXCL、PD-L1、TGFb 等是 CellChatDB 的通路名，正文用带连字符的写法，两者指同一组互作。）

## 1.4 肿瘤如何“重编程”微环境

“重编程”在这里指：肿瘤细胞通过持续发送信号，把正常组织改造成利于自己生长的“土壤”。四条主线：

**① 免疫抑制。** 肿瘤通过上调 PD-L1、分泌 TGF-β 与 MIF 等，让杀伤性免疫细胞“熄火”。例子：肿瘤细胞高表达 PD-L1，使浸润的 CD8 T 细胞进入功能抑制状态；免疫治疗通过解除这个刹车来恢复杀伤。

**② 血管生成。** 缺氧诱导 VEGFA 分泌，驱动内皮细胞增殖，肿瘤为自己搭建“补给线”。例子：乳腺癌组织内可见大量新生血管，内皮细胞高表达 PECAM1、VWF（见 1.1 节 marker 表）。

**③ 上皮-间质转化（EMT）。** 癌细胞“脱下”上皮特征、“穿上”间质特征，获得迁移与侵袭能力。例子：侵袭前沿的癌细胞高表达 VIM、ZEB1，伴随 TGF-β 通路激活——这正是第 10 章识别“侵袭前沿”生态位的分子依据。

**④ 促纤维化与基质重塑。** 肿瘤激活 CAF，后者大量分泌胶原等 ECM 成分，形成致密的“物理屏障 + 免疫屏障”。例子：基质区 CAF 高表达 COL1A1、DCN，既是结构特征也是通讯枢纽。

这四条主线不是孤立的：EMT 与免疫抑制常在同一生态位（侵袭前沿）同时发生，形成“恶性协作”——这正是本书“通讯重编程”要捕捉的系统性变化。

## 1.5 为什么“空间”对理解 TME 重要

图 1-2 是肿瘤微环境组成的理想化示意——注意“中央”与“周围”的差别：

![图 1-2 肿瘤微环境组成示意。中央为肿瘤细胞团，周围分布 CAF、CD8 T 细胞、巨噬细胞、B 细胞、内皮细胞与 NK 细胞，背景为 ECM，箭头表示 CXCL12、TGF-β、PD-L1/PD-1、VEGF、MIF 等关键通讯。](figures/fig04_tme_composition.png){width=85%}

真实组织里，不同区域的细胞组成差异巨大：肿瘤核心以癌细胞为主、缺氧、VEGF 高；侵袭前沿是肿瘤-基质交界、EMT 活跃；免疫浸润区聚集 T/B/巨噬细胞；基质区由 CAF 与 ECM 主导（特征对照见 00-TECH 第 4 节）。

**如果只看全局平均，这些异质性会被彻底抹平。** 设想：某切片一半区域 PD-L1 高、一半区域几乎没有，全局平均会给出“中等水平”——既丢失了“哪里有”的信息，也丢失了“和谁共定位”的信息。而 PD-L1 是否与 CD8 T 细胞相邻（近分泌才可能发生），恰恰是免疫抑制是否真实起效的关键。

这正是本书选择“生态位视角”的根本原因：把空间切成有生物学含义的区域，再在区域内与区域间分析通讯。理解了这一点，你就抓住了整本书的灵魂。

## 本章小结

- 肿瘤微环境 = 癌细胞 + CAF + 免疫细胞 + 内皮细胞 + ECM，是一个动态生态系统；
- 通讯靠配体-受体互作，分自分泌、旁分泌、近分泌、内分泌四种形式；
- 六条教学通路（CXCL12–CXCR4、PD-L1–PD-1、TGF-β–TGFBR2、VEGF–KDR、MIF–CD74、LGALS9–HAVCR2）覆盖迁移、检查点、EMT、血管生成、炎症等核心过程；
- 肿瘤通过免疫抑制、血管生成、EMT、促纤维化四条主线“重编程”微环境；
- 空间位置决定通讯能否发生，全局平均掩盖异质性——生态位视角由此而来。

## 练习与思考

1. （动脑题）图 1-1 中，为什么 PD-L1–PD-1 属于“近分泌”而 CXCL12–CXCR4 属于“旁分泌”？这对空间分析有什么启示？
2. （动脑题）TGF-β 同时出现在“EMT”与“免疫抑制”两条主线中，这提示不同生态位的通讯可能存在什么现象？
3. （动手题）运行 1.3 节的 R 代码；如果 CellChat 未安装，记录提示信息，然后手动把六条通路的配体-受体对写进一张表，与 00-TECH 第 5 节核对。
4. （思考题）如果某条通讯通路在数据中被预测为“高活性”，你会如何设计实验去验证？（提示：参考 00-TECH 第 5 节的“重要提醒”。）
5. （动脑题）为什么说“通讯推断是计算预测，不是直接测量”？用 PD-L1–PD-1 举例说明。
