2022-04-14 15:27·
邱志遠(yuǎn)大夫原創(chuàng) 奇點(diǎn)糕
腦轉(zhuǎn)移瘤（BrM）指原發(fā)于身體其他部位的腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移至顱內(nèi)，造成腫瘤在顱內(nèi)生長的一種疾病，以肺癌腦轉(zhuǎn)移最為常見，其次為乳腺癌和黑色素瘤。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，癌癥患者發(fā)生腦轉(zhuǎn)移的概率高達(dá)20%-40%[1]，即使進(jìn)行了積極的綜合治療，腦轉(zhuǎn)移瘤患者2年和5年的中位生存率也僅為8.1%和2.4%[2]。
遺憾的是，目前醫(yī)學(xué)界對(duì)于腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移到腦中并定植的分子機(jī)制知之甚少，也缺乏關(guān)于腦轉(zhuǎn)移瘤內(nèi)細(xì)胞組成及功能狀態(tài)的詳細(xì)信息，這些都阻礙著研究人員對(duì)腦轉(zhuǎn)移瘤進(jìn)行深入研究。
近期，來自加州大學(xué)舊金山分校的Hugo Gonzalez教授團(tuán)隊(duì)通過對(duì)腦轉(zhuǎn)移瘤組織進(jìn)行單細(xì)胞測(cè)序（scRNA-seq），并結(jié)合質(zhì)譜流式（CyTOF）等技術(shù)，揭示了腦轉(zhuǎn)移瘤細(xì)胞以增殖和炎癥作為主要的兩種細(xì)胞狀態(tài)，并對(duì)基質(zhì)中的免疫細(xì)胞與細(xì)胞微環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行了總結(jié)和剖析，有助于對(duì)腦轉(zhuǎn)移瘤細(xì)胞特性及其與細(xì)胞微環(huán)境交互的理解，相關(guān)成果發(fā)表于《細(xì)胞》雜志[3]。
▲ 論文首頁截圖
研究人員收集了原發(fā)腫瘤為黑色素瘤（n=3）、乳腺癌（n=3）、肺癌（n=3）、卵巢癌（n=2）、結(jié)直腸癌（n=1）、腎癌（n=1）、成人橫紋肌肉瘤（n=1）以及不明原發(fā)癌（n=1）等15例患者的腦轉(zhuǎn)移瘤標(biāo)本，對(duì)其進(jìn)行單細(xì)胞測(cè)序，并對(duì)其中11個(gè)樣本基于免疫表型進(jìn)行質(zhì)譜流式分析。
最后總共捕獲了80377個(gè)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄本，通過評(píng)估標(biāo)記物表達(dá)、染色體畸變、拷貝數(shù)變異等對(duì)細(xì)胞進(jìn)行注釋，將其標(biāo)記為49488個(gè)腦轉(zhuǎn)移瘤細(xì)胞（MTC）及30889個(gè)腦轉(zhuǎn)移瘤相關(guān)非惡性基質(zhì)細(xì)胞。
有趣的是，來自不同患者的腫瘤基質(zhì)細(xì)胞在降維圖（UMAP）中形成了多個(gè)聚集性的簇，而每個(gè)患者的腦轉(zhuǎn)移瘤細(xì)胞則形成了獨(dú)立的簇，且每個(gè)病例之間均沒有重疊，這提示了腦轉(zhuǎn)移瘤細(xì)胞具有高度患者間異質(zhì)性（圖1）。
▲ 圖1 對(duì)15位患者的腦轉(zhuǎn)移瘤組織進(jìn)行scRNA-seq和CyTOF，通過UMAP降維，并對(duì)細(xì)胞進(jìn)行注釋
研究人員首先分析了腫瘤中的基質(zhì)細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)其主要由血管細(xì)胞（內(nèi)皮細(xì)胞和壁細(xì)胞）、炎性免疫細(xì)胞和間充質(zhì)祖細(xì)胞組成，并根據(jù)標(biāo)記基因的表達(dá)確定了20個(gè)不同的簇（圖2）。
▲ 圖2腫瘤中的基質(zhì)細(xì)胞：具有標(biāo)記基因CLDN5和PECAM1的內(nèi)皮細(xì)胞（EC-1，EC-2和EC-3簇）、具有標(biāo)記基因RGS5和ACTA2的壁細(xì)胞（PC）和血管平滑肌細(xì)胞（vSMCs，PC-1，PC-2，PC-3簇）、具有標(biāo)記基因ISLR和CTHRC1的間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞樣細(xì)胞（MSC-like-1和MSC-like-2）、具有標(biāo)記基因CD3D和IL7R的 T細(xì)胞（T:CD8+:EM，T:CD4+:CM1，T:CD4+:cm2，Tregs和T:Cm）、具有標(biāo)記基因JCHAIN和MZB1的B細(xì)胞（B-c1和B-c2）、具有標(biāo)記基因AIF1和LYZ的轉(zhuǎn)移相關(guān)巨噬細(xì)胞（MAMs:APOE+和MAMs:S100A8+）、具有標(biāo)記基因CD1C和CLEC10A的樹突狀細(xì)胞（DC，cDC2:CD1C+/CLEC10A+）及具有標(biāo)記基因GFAP和S100B的星形膠質(zhì)細(xì)胞
基質(zhì)中的血管細(xì)胞構(gòu)成了血-腫瘤界面（BTI），與腦轉(zhuǎn)移瘤患者的化療抵抗息息相關(guān)。根據(jù)scRNA-seq結(jié)果，血管內(nèi)皮細(xì)胞主要分為了三個(gè)簇（EC-1、EC-2和EC-3），其中EC-3為動(dòng)脈樣內(nèi)皮細(xì)胞（標(biāo)志基因?yàn)镋FNB2和GJA5），EC-2為靜脈樣內(nèi)皮細(xì)胞（標(biāo)志基因?yàn)锳CKR1和NR2F2），EC-1則介于兩者之間。EC-1簇細(xì)胞表達(dá)與血管生成和膠原沉積等過程相關(guān)的基因，EC-2簇則表達(dá)與缺氧、炎癥和抗原呈遞相關(guān)的基因。
此外，研究人員還在內(nèi)皮細(xì)胞中檢測(cè)到6個(gè)多特異性ATP結(jié)合盒（ABC），包括ABCB1（即多藥耐藥蛋白1，MDR）和ABCG2，這兩種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白都是正常血腦屏障中的關(guān)鍵分子，在靜脈樣（EC-2簇）內(nèi)皮細(xì)胞匯聚的區(qū)域明顯高表達(dá)（圖3）。
▲ 圖3 在內(nèi)皮細(xì)胞中檢測(cè)到6個(gè)多特異性ATP結(jié)合盒（ABC），ABCB1和ABCG2在靜脈樣（EC-2簇，紅色）內(nèi)皮細(xì)胞匯聚的區(qū)域明顯高表達(dá)
接著研究人員分析了腦轉(zhuǎn)移瘤中浸潤免疫細(xì)胞的特征，發(fā)現(xiàn)腦轉(zhuǎn)移瘤中的免疫細(xì)胞以T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞為主，其中T細(xì)胞展現(xiàn)出了更高的異質(zhì)性，主要由5個(gè)簇組成：CD8+效應(yīng)記憶T細(xì)胞（T:CD8+:EM簇，表示CD8+ effector memory T cells，下文以此類推）、中央記憶T細(xì)胞（T:CD4+:CM1簇、T:CD4+:CM2簇和T:CM簇）和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Tregs簇）。
這些細(xì)胞具有不同的免疫狀態(tài)與功能，如T:CD8+:EM簇富含細(xì)胞毒性分子（如GZMA和IFNG），T:CD4+:CM簇則代表一種高表達(dá)LTB、IL32等免疫調(diào)節(jié)標(biāo)記物的激活狀態(tài)，而表達(dá)低水平CD4和CD8A的T:CM簇雖然也表達(dá)LTB和IL32，但其還富集干擾素相關(guān)基因（如ISG15和MX1）。
為了更好地理解這些T細(xì)胞狀態(tài)及功能轉(zhuǎn)變，研究人員使用了一種非線性降維技術(shù)，用以捕捉高維數(shù)據(jù)中的幾何結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)[4]。這一分析表明，這5個(gè)T細(xì)胞簇按擴(kuò)散成分1（DC1）分?jǐn)?shù)有序排列。
在與DC1呈正相關(guān)的前50個(gè)基因中，有與淋巴細(xì)胞活化相關(guān)的分子（如CORO1A和LCK）、與趨化和遷移相關(guān)的分子（如CCR7和CXCR4），且這前50個(gè)DC1相關(guān)基因的表達(dá)與T細(xì)胞激活基因簇（GO：0042110）之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，表明T細(xì)胞激活狀態(tài)的不同驅(qū)動(dòng)了T細(xì)胞的多樣性。（圖4）
▲ 圖4 5個(gè)T細(xì)胞簇按擴(kuò)散成分1（DC1）分?jǐn)?shù)有序排列，且前50個(gè)DC1相關(guān)基因的表達(dá)與T細(xì)胞激活基因簇（GO：0042110）之間有很強(qiáng)的相關(guān)性
為了了解每種T細(xì)胞狀態(tài)與細(xì)胞微環(huán)境相關(guān)作用，研究人員評(píng)估了調(diào)控微環(huán)境和代謝相關(guān)基因的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)干擾素信號(hào)相關(guān)基因在T:Cm簇中占主導(dǎo)地位，與T細(xì)胞高激活相關(guān)的耗竭特征富集在T:CD8+:EM和T:CD4+:CM簇中，而那些DC1評(píng)分較低的T細(xì)胞簇（T:CD4+:cm2，Treg和T:Cm）則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的無功能特征。
此外，從激活的T細(xì)胞到無功能的T細(xì)胞的這種表型轉(zhuǎn)變，與細(xì)胞代謝從糖酵解和三羧酸循環(huán)為主向脂質(zhì)代謝為主的轉(zhuǎn)變相吻合，以上結(jié)果揭示了T細(xì)胞功能狀態(tài)（從激活/耗竭到無功能），與伴隨的代謝和微環(huán)境重編程相關(guān)。
最后，研究人員還研究了腦轉(zhuǎn)移瘤中的主體——腫瘤細(xì)胞，通過非負(fù)矩陣分解（NMFS）的方法[5]，識(shí)別出了兩類潛在的腫瘤細(xì)胞亞群，且在外部數(shù)據(jù)集和動(dòng)物腦轉(zhuǎn)移模型中發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象：一群高表達(dá)增殖和pre-mRNA剪接相關(guān)基因，另一群高表達(dá)是應(yīng)激、炎癥、翻譯和細(xì)胞外基質(zhì)沉積相關(guān)基因。產(chǎn)生這兩類細(xì)胞群體很可能與細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)。
該研究也存在一定局限性，由于缺乏匹配的顱外原發(fā)腫瘤的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無法研究腦轉(zhuǎn)移瘤與原發(fā)腫瘤之間的差異與聯(lián)系。
總的來說，這個(gè)研究全面分析了腦轉(zhuǎn)移瘤中細(xì)胞類型和細(xì)胞功能狀態(tài)，通過對(duì)腦轉(zhuǎn)移瘤細(xì)胞、免疫細(xì)胞和其他基質(zhì)細(xì)胞的單細(xì)胞分辨率分析，加深了對(duì)腫瘤細(xì)胞固有特性和細(xì)胞微環(huán)境特性在腫瘤腦轉(zhuǎn)移中的相互作用的理解，有助于將來針對(duì)腦轉(zhuǎn)移瘤的療法的開發(fā)。
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