在转移性癌症研究领域，朱莉安·卡尔斯滕斯博士经常"深入危险地带"工作。作为阿拉巴马大学伯明翰分校血液学与肿瘤学系助理教授兼奥尼尔综合癌症中心副科学家，她研究的"危险地带"实则是转移性胰腺癌肿瘤样本——这些仅数毫米宽的区域常包含数万个细胞，其中许多细胞正单向破坏宿主身体。肿瘤周围环境复杂而迷人：癌细胞、普通细胞、参与免疫应答的细胞共存，更有被肿瘤"策反"的非癌细胞正助其生长。
显微镜下难以区分关键防御细胞CD8+细胞毒性T细胞与可能被肿瘤操控的调节性T细胞，更难辨别活跃分泌肿瘤杀伤分子的CD8+细胞与已耗竭的无效细胞。卡尔斯滕斯实验室运用病理学家诊断患者的标准肿瘤切片，创建肿瘤微环境的精细彩色图谱。作为胰腺癌研究专家（一种致命且高度转移性疾病），她为每个目标细胞或蛋白质添加特异性抗体，每种抗体发射独特光谱，"如同数字填色画，每种颜色代表不同抗体"。整合这些信息后，她能生成高度详细的动态图景，揭示肿瘤微环境中各细胞的身份与行为。她是癌症空间分析应用的先驱者："要理解细胞功能，不仅需知晓细胞类型，更需明确其空间位置。"
2017年，卡尔斯滕斯与合作者佩德罗·科雷亚·德·桑帕约博士首次证实：当胰腺癌患者体内细胞毒性CD8+ T细胞群落位于癌细胞20微米内（足以杀伤距离）时，其生存期显著长于未出现此现象的患者。该领域技术正飞速发展：2017年研究需追踪8种细胞类型，耗费18个月（含5天手工移液与2天显微成像）；如今实验室可在2天内同步追踪48种以上蛋白质及其标记的细胞类型。"多路复用技术的进展令人惊叹，"卡尔斯滕斯表示。
当前，该实验室正探索前沿技术追踪细胞群落随时间演变——将静态图谱升级为动态漫画。其中一种方法是在癌症小鼠模型中为细胞添加独特基因条形码，通过时序成像重构特定细胞在肿瘤微环境中的分裂扩散轨迹及其全身迁移路径。"我们发现转移不仅关乎癌细胞来源（如胰腺癌转移至肝脏），更取决于转移路径，"卡尔斯滕斯指出。传统观点认为上皮-间质转化（从静止到高移动态）对转移至关重要，但她证实：即使将细胞锁定在上皮状态，转移仍会发生，但显著增加转移至肝脏而非肺部的概率——后者是胰腺癌患者最常见且致命的转移部位。这为预测转移位置及阻断扩散细胞提供可能。
通过融合时空分析，研究者有望解答癌症核心难题："为何癌症在某些人体内转移至特定部位而他人不会？为何化疗仍无法抑制癌症生长？能否干预癌症应答方式？"传统活检仅提供单一时点快照："我们从三维肿瘤截取微小二维切片就得出大量结论，"卡尔斯滕斯解释。患者据此接受治疗后数周，肿瘤已发生根本变化——"化疗敏感细胞死亡而耐药细胞增殖，我们必须追踪肿瘤演化过程。"
在新论文《四维视角下的肿瘤微环境：癌症生物学中的空间与时间评估》中，卡尔斯滕斯团队指出空间分析的爆发式发展"指数级加速了对肿瘤微环境结构复杂性的认知"。通过"在时空维度（四维）研究肿瘤微环境，可构建更完整的癌症叙事：患者能被精准分为治疗响应者与非响应者；科学家可定位最易干预的靶点及辅助细胞；理解微环境时空变化将提升活检分析效能以改善患者预后。"
然而，从含百万标记细胞的组织样本中提取结论绝非易事。每个肿瘤微环境均独一无二，哪些模式相似到可聚类供临床靶向？卡尔斯滕斯等研究者借鉴生态学家开发的算法。生态模型揭示"非随机空间关系"，如著名的莫里斯塔-霍恩指数——用于量化群落结构相似性，曾帮助生态学家建立捕食者体型与猎物多样性的正相关。该指数应用于乳腺肿瘤时，通过量化免疫细胞与癌细胞共定位：高分值意味着两类细胞紧密相邻；若与良好预后相关，表明免疫细胞有效清除癌细胞；若与不良预后相关，则提示免疫细胞被肿瘤劫持。
此项工作本质跨学科："我们与病理科、外科、内镜及肿瘤科专家合作，基于大样本患者队列分析生存差异，"卡尔斯滕斯强调。"综合癌症中心的平台至关重要。"团队还联合定量放射科与生物信息学家开发数学算法，量化免疫浸润。将标注动态图谱输入机器学习模型，可帮助医生预测患者个体化进展并筛选最佳治疗方案。
"生物信息学合作者与我正探索：能否在小鼠中创建时序分析，再用人工智能从临床快照数据外推演化趋势？"她举例道，"如同天气预报，基于历史快照开发的飓风预测模型。我们能否用癌症模型系统的快照数据训练AI，生成精准的疾病发展'电影'？"卡尔斯滕斯认为这"既遥远又触手可及"，"这将是十年后的核心工作，也是令我们兴奋的愿景。"
在阿拉巴马大学伯明翰分校，卡尔斯滕斯找到了志同道合的研究社区："众多学者在此开展卓越研究。"依托医学院资助，她正联合开发空间生物学培训课程，吸引新老研究者入行。"工具持续优化，其应用远超癌症领域，"她指出，"肾病、心脏病、中风研究者均在此应用空间生物学技术，研究社区正快速壮大。"
如何参与空间生物学研究？
卡尔斯滕斯表示，阿拉巴马大学伯明翰分校提供多项机会：
- 全年举办厂商展览与学术研讨会，以及聚焦校内研究者与技术应用的"空间生物学日"（详情请咨询核心设施支持方）
- 2026年1月将启动面向公众开放且可获研究生学分的"空间生物学与生物信息学期刊俱乐部"
- 新设计的研究生课程涵盖空间多组学技术通识及实操训练，预计2026年秋至2027年春推出
- "空间生物学PRIME"博士后招募与培训项目已于2025年秋季启动
摄影：伊恩·洛格
图表提供：朱莉安·卡尔斯滕斯博士
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