Nature Cancer：治疗下胶质母细胞瘤演变的单细胞图谱显示了细胞内和细胞外的治疗目标

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题目：A single-cell atlas of glioblastoma evolution under therapy reveals cell-intrinsic and cell-extrinsic therapeutic targets

期刊：Nature Cancer

IF：23.177

发表时间：2022年12月20日

通讯作者单位：加州大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s43018-022-00475-x

主要内容：

胶质母细胞瘤（GBM）脑瘤细胞表现出明显的表型可塑性，但这究竟是如何使GBMs不可避免地抵制标准治疗的，目前尚不清楚。一项新的研究利用治疗前和治疗后的人类GBMs的多层次分子分析，以单细胞和空间分辨率阐明了治疗反应。

90%的GBM肿瘤没有编码异柠檬酸脱氢酶（IDH）的基因突变，是最致命的。手术切除，然后用烷化剂替莫唑胺进行化放疗，构成了标准的治疗方法，但平均只能增加12至15个月的生存期。临床上迫切需要确定GBM的有效治疗方法，这导致它成为首批接受广泛基因组特征分析的肿瘤类型之一。然而，针对GBM中最常见的体细胞突变的基因毒性治疗在临床试验中屡屡失败。全球范围内对纵向GBM样本进行的特征分析显示，标准治疗没有带来任何进化瓶颈。这表明，在诊断时，癌症基因组已不再是GBM恶性进展的主要驱动力。从那时起，转录定义的GBM细胞类型已经被确定，并有证据表明广泛的相互转换和细胞可塑性是以前没有认识到的。细胞类型的比例变化，用纵向的大量肿瘤数据来表征，表明治疗以非收缩的方式塑造GBM的细胞景观。在本期的《自然-癌症》杂志中，Wang等人从几十年的脑瘤组织库中获得了回报，提供了一个治疗前后IDH野生型GBM肿瘤的单细胞图谱。他们对冷冻档案材料进行了单核转录组（snRNA-seq）分析，同时对其队列的子集进行了单细胞染色质可及性分析（scATAC-seq）、空间蛋白质组学和空间转录组学。他们已经确定了肿瘤细胞群体中反复出现的治疗驱动的转变，这与大宗组织研究相一致，然后能够在此基础上扩展，以确定支撑这种转变的候选机制。这些机制可能是治疗性地针对GBM适应治疗的关键（图1）。

对患者GBM肿瘤进行的一些单细胞RNA-seq分析的结果，使人们认识到，各种肿瘤细胞类型，由转录程序定义，在不同患者之间是共享的。细胞类型的数量和命名方法各不相同，但在分类上有很大的重叠，并有一致的可塑性和相互转换的信息。Diaz小组(其最新工作是本文的重点)，先前确定了一个单一的变异轴，一端是骨髓样(PN)干细胞，另一端是间充质样(MES)干细胞。Neftel等人确定了四个GBM细胞亚群，分别为OPC（少突胶质细胞祖细胞）、NPC（神经祖细胞）、AC（星形胶质细胞）和MES（间质样），它们都能增殖。检查Neftel细胞类型与单细胞甲基化特征的关系表明，NPC和OPC一起似乎反映了Diaz的PN亚型，而APC和MES亚群一起反映了Diaz的MES亚型。在所有情况下，转录定义的GBM细胞类型跨越了基因组亚克隆，虽然有体细胞编码的倾向于特定的肿瘤细胞类型，但这种划分可能是由表观遗传驱动的，就像表型不同的正常脑细胞亚群那样。这产生了一个范式的转变：一旦这些肿瘤建立起来，基因组并不是支撑GBMs恶性进展的主要驱动力，因此可能不是有效治疗所急需的目标的理想来源。另一种方法是了解GBM癌细胞群的表型可塑性，并绘制出它们的轨迹，以了解如何否定它们的适应和生存能力。

在这一最新努力中，Wang等人对36对接受标准治疗的患者的原发和匹配的复发性IDH野生型GBM肿瘤进行了snRNA-seq。他们还分析了4个不匹配的原发性GBM样本和5个不匹配的复发性GBM样本。他们扩展了早期的研究结果，显示转录组变化的最大来源是沿着PN-MES轴，在接受治疗的复发样本和未经治疗的原发样本中。将细胞分类为任一亚型，发现平均每个病人在复发时MES细胞的比例明显增加。在胶质瘤的大量基因组研究中反复观察到与治疗有关的向间质样肿瘤的转换，这往往与肿瘤微环境（TME）的变化有关。Wang等人达到的前所未有的单细胞分辨率显示，复发时有更多的MES细胞，但它们也变得更强烈地偏向MES分类。此外，在经历了MES转变的肿瘤中，独特的是循环细胞明显增加。这种MES转变可能是由几种现象造成的。MES细胞可能在本质上对治疗更有抵抗力，因此变得丰富；非MES细胞可能在治疗中转化为MES细胞；与其他肿瘤细胞类型相比，MES细胞可能增殖更多，和/或在细胞分裂中产生更多的MES细胞。Wang等人检查了复发性GBMs的MES细胞，发现最大的变化来源是表达TGFβ途径基因的静止细胞和DNA损伤反应程序上调的增殖细胞之间。与RNA速度分析的结果一起，这表明治疗促使静止的MES细胞开始增殖，在复发性肿瘤中产生MES细胞的整体增加。

Wang等人随后探索了支撑MES转换的机制。从他们的snRNA-seq数据中，他们推断出Chr6q或Chr14q的体细胞损失，以及Chr19或Chr20的增益，在MES中明显比PN细胞更普遍，这表明MES的倾向性基因存在于这些区域。他们将四个相同的GBM样本对进行scATAC-seq，产生了两个细胞群。在一个集群中唯一可获得的转录因子结合位点明显与PN分类一致--例如OLIG2和NEUROG1。另一个集群有大量的与AP1转录因子复合物相关的结合位点，该复合物以前被认为是调节MES表型的因素。在此，Wang等人整合了他们的RNA-seq和ATAC-seq数据来推断GBM中的AP1调节组，强调了可能在单细胞水平上驱动间质转化的下游效应器。体外和体内实验表明：（i）AP1成分和一些目标基因被电离辐射诱导；（ii）抑制候选AP1调节基因的药物与标准GBM治疗的非手术成分有协同作用，尽管这在某种程度上取决于细胞系和药物。这些数据共同表明，MES细胞的转录程序被治疗所诱导，并促使作者提出MES驱动因素构成治疗目标。然而，应该注意的是，虽然每个病人的MES细胞数量平均比原发性GBM多，但一些细胞也向相反的方向极化，向PN分类发展。有趣的是，似乎任何PN或MES细胞比例较低的原发肿瘤在复发时都会增加该细胞类型的比例，尽管MES细胞比例低的肿瘤趋势更强。染色质可及性数据显示，复发时MES细胞簇的相对大小明显增加，但没有达到支配肿瘤块的程度（增加40%-49%）。因此，尽管治疗改变了肿瘤细胞的格局，往往朝向间质程序，但还需要进一步研究，以了解在组织和细胞水平上的其他方向的重新编程。新兴的方法能够对单个细胞的整个转录组进行纵向追踪，这对于揭示GBM癌细胞在治疗过程中的真正可塑性是非常宝贵的。

Wang等人也调查了治疗如何改变TME的细胞构成。他们发现先天性免疫细胞的比例总体上没有变化，但进一步的分类显示，在复发的样本中，骨髓来源的单核细胞明显增加，而常驻的小胶质细胞则减少。在原发性和复发性肿瘤中，大多数先天免疫细胞显示为非极化的 "M0 "状态，但通过治疗，活化（M1/M2）细胞的数量有明显增加。T细胞不多，平均为1%，最常见的是处于衰竭状态，复发时比原发肿瘤更多。然而，16%的复发GBM被发现有比平均水平高2-20倍的T细胞。这些患者的生存率有所提高，而且仅在复发时，T细胞的数量与肿瘤的突变负担相关。对这些 "T细胞离群 "样本的空间蛋白质组学分析显示，复发的GBM中的三级淋巴结构也富含B细胞和单核细胞。这表明，在某些情况下，与大量基因组学研究所报告的无法以如此高的分辨率划分肿瘤的细胞构成不同，突变负担较高的GBM可能更具有免疫原性，部分原因在于治疗驱动的影响。

最近GBM领域的兴奋点来自于GBM细胞之间以及与正常脑细胞之间通过管网和电突触的广泛互动。Wang等人从他们的snRNA-seq数据中推断出细胞串联，发现原发性和复发性GBM的通讯模式惊人地相似，但在复发中，有更多潜在的通讯路线与MES肿瘤细胞相关，似乎更多来自星形细胞的细胞。空间转录组学验证表明，许多预测的受体-配体相互作用在肿瘤的浸润边缘比在核心部位更普遍（4-10倍）。特别是IGF和WNT途径以这种方式被富集，配体表达的癌细胞和受体表达的正常胶质。相反，PTN-PTPRZ1的表达模式表明，肿瘤细胞的自分泌信号在中央密集的肿瘤区域明显更盛行。为了检查这些发现的相关性，在体外模型中加入了旁分泌信号，改变了细胞增殖，在某些情况下，治疗反应具有不同的协同效应。

总之，这项研究提供了来自纵向IDH野生型GBM样本的单细胞数据汇编，能够详细检查暴露于标准治疗的GBM癌症细胞的分子轨迹。不同分子水平的时空数据集的整合使作者能够从描述细胞类型的转变转向阐明其背后的机制，这代表了强大的潜在治疗目标。然而，独立的数据集在时间快照上的整合有其固有的局限性。随着技术的进步，从同一细胞中产生多组学数据并对可行的细胞进行纵向追踪的能力将进一步增加我们对肿瘤适应机制的理解。这项研究是在多年的高质量组织库之后取得的成果，突出了对这种基础研究资源的需求，以及快速发展的技术。这个惊人的单细胞图谱的研究结果的有效性大多被几个探究某些候选机制的体外和体内实验所证实。然而，这也凸显了基于患者GBM组织的实验室检查结果往往会导致混杂的结果，这些结果取决于模型的选择。这进一步强调了GBM研究需要一系列特征明确的实验系统，以最大限度地利用这些临床数据集的发现，并帮助将它们从床边转化为工作台，再转化为床边。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s43018-022-00475-x

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