肿瘤研究：认识脑肿瘤，战胜脑肿瘤 | 时空简讯36期

时空简讯第36期。

目前，恶性肿瘤（亦称为癌症）仍是全世界人类最大的杀手之一。为了快速、高效地传播、共享空间组/单细胞分析技术在肿瘤（尤其是恶性肿瘤）研究中的前沿成果，华大时空推出肿瘤研究专题简讯。遴选与脑肿瘤及其他器官（或组织）肿瘤发病机制与临床诊疗相关的代表性前沿文章，持续、针对性地进行精要解读，敬请关注。

大脑作为人体最精密、最复杂且最重要的器官，是由上千亿个神经元（细胞）所构成的生命中枢，控制、调节着人体的一切生命活动。然而，近年来脑部疾病（包括脑肿瘤）发病率逐年上升，严重威胁人类脑部健康。据国际权威医学杂志The Lancet统计的全球最大规模脑肿瘤数据显示，我国脑肿瘤发病率和死亡率双双第一。因此，全面认识肿瘤，特别是脑肿瘤的发生发展机制，显得尤为重要。

本期特选取了10篇与胶质瘤、脑膜瘤、髓母细胞瘤，以及脑转移瘤发病机制相关的优质前沿文章，展示了脑肿瘤研究中得益于单细胞空间转录组学技术发展的关键突破成果，以期助力于开发针对性的脑肿瘤诊疗策略，供了解参考。

胶质母细胞瘤Glioblastoma

空间多组学技术破译胶质母细胞瘤中肿瘤-宿主双向依赖性

Cancer Cell [IF: 38.585]

①对来自20个胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）患者的28个样本进行空间转录组测序（spatiallyresolvedtranscriptomics，stRNA-seq），产生了88,793个转录组数据，并补充6个患者的空间代谢组学（matrix-assisted laser desorption/ionization，MALDI）和空间蛋白组学（imaging mass cytometry，IMC）的数据，构建了GBM的空间转录组图谱，并解析了其空间异质性。

② 对16名IDH1/2野生型的GBM患者进行聚类分析，发现5个共同表达的转录程序，称为“空间差异转录程序（spatially distinct transcriptional programs）”，这些转录程序在空间上是相互分离的，且与细胞周期无关。

③ “缺氧反应（reactive-hypoxia）”程序作为独立的亚克隆事件与染色体变异显著相关；结合stRNA-seq和MALDI数据，进一步发现该程序可分成具有不同代谢特征的3个代谢亚组。

④ 在常氧和缺氧条件下培养原发性患者来源的GBM细胞系2~6 周（患者n=4），发现缺氧核心区域积累了更多的染色体变异，证明了低氧相关代谢是基因组不稳定性的潜在驱动因素；结合stRNA-seq和IMC数据，发现“免疫反应（reactive-immune）”区域与“缺氧反应”区域细胞组成和免疫状态的差异，如前者富集耗竭T细胞，具有更强的免疫抑制状态。

⑤ 把不同年龄的人类供体和小鼠细胞在不同宿主环境中进行培养，通过scRNA-seq获得15,034个单细胞转录组，发现不同宿主的环境（如年龄、突变、表观遗传因素）对转录异质性的可塑性有很大影响。（大禹）

研究方案与主要发现

Spatially resolved multi-omics deciphers bidirectional tumor-host interdependence in glioblastoma.

2022.06.13, DOI: 10.1016/j.ccell.2022.05.009

研究文章：人，脑，胶质母细胞瘤，空间转录组，MALDI，IMC，scRNA-seq; Vidhya M. Ravi, Paulina Will, Jan Kueckelhaus, Daniel Delev, Oliver Schnell, Dieter Henrik Heiland；University of Freiburg; Germany.

原发性胶质母细胞瘤、配对的外植体和细胞系肿瘤间及肿瘤内异质性的差异

Cancer Cell [IF：38.585]

①开发了一种从嵌入基质胶（Matrigel）的完整肿瘤切片中构建外植体的方案，利用bulk WES、scWGS、scRNA-seq，分析了10个原发性胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）和2例配对的复发肿瘤样本、患者来源的外植体（patient-derivedexplants，PDEs）、胶质瘤球（gliomasphere，GS）系的基因组及转录组特征，揭示了GBM模型系统的细胞变异性。

② bulk WES和scWGC分析表明，PDEs保留了病人肿瘤样本的基因组特征，包括肿瘤内和肿瘤间的异质性模式；scRNA-seq进一步分析显示，PDEs，而非GS系，保留了其亲本肿瘤中存在的一些非恶性细胞，如CD45+免疫细胞、ACTA2+癌相关成纤维细胞等，且在多次传代后仍保留了与亲本较为一致的恶性细胞状态分布。

③差异表达分析显示，与亲本肿瘤相比，PDE表现出可重复的基因表达变化；在细胞状态分布方面，PDE与其亲本组织中也有很高的一致性。

④ scRNA-seq分析表明，PDEs能在传代1~3次后仍保留恶性细胞状态，显示了通过scRNA-seq将PDEs等体外模型用于大规模药物筛选试验的潜力。（大禹）

患者来源的外植体（PDEs）和胶质瘤层（GS）系的产生

Single-cell landscapes of primary glioblastomas and matched explants and cell lines show variable retention of inter- and intratumor heterogeneity.

2022.03.17，DOI:10.1016/j.ccell.2022.02.016

研究文章：人，脑，原发性胶质母细胞瘤，胶质瘤球系，异质性，病人起源的外植体，scRNA-seq，scWGS，WES；Ve´ ronique G. LeBlanc，Marco A. Marra；Canada’s Michael Smith Genome Sciences Centre，BC Cancer，University of British Columbia；Canada.

scRNA-seq揭示胶质母细胞瘤进化期间的免疫景观

Nature Immunology [IF：31.250]

①利用scRNA-seq研究小鼠胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBMs）的免疫和非免疫细胞组成，共得到27,633个CD45-细胞和36,304个CD45+细胞，依次得到17、20个细胞亚群，并对整个肿瘤起始和进展过程中的免疫细胞组成进行了纵向变化分析，提供了一个全面和无偏倚的免疫细胞图谱及其在GBM进展过程中的分化。

② 采用流式细胞术研究了标准护理（standard of care，SOC；电离辐射和替莫唑胺治疗）对小鼠GBM免疫细胞组成的影响，在早期GBM中发现了促炎症的小胶质细胞亚群，在晚期GBM中发现了抗炎症的巨噬细胞和促肿瘤性骨髓抑制细胞，这种演变与血脑屏障的破坏和表皮生长因子受体GBM+细胞的广泛生长相平行。

③ 替莫唑胺减少了骨髓来源抑制细胞的积累，而替莫唑胺和电离辐射联合增加了瘤内GranzymeB+ CD8+ T细胞，但也增加了CD4+调节性T细胞。（杨博林）

scRNA-seq识别健康和GBM小鼠中的CD45–和CD45+细胞群

Single-cell RNA sequencing reveals evolution of immune landscape during glioblastoma progression.

2022.05.27，DOI：10.1038/s41590-022-01215-0

研究文章；小鼠，脑，胶质母细胞瘤，scRNA-seq，流式细胞术；Alan T. Yeo， Shruti Rawal1；Bethany Delcuze, Vassiliki A. Boussiotis, Al Charest；Harvard Medical School,Tufts University School of Medicine；USA.

用人脑类器官和单细胞转录组学模拟胶质母细胞瘤的侵袭

Neuro-Oncology [IF: 12.247]

① 以人脑类器官为骨架，将组织透明化技术与单细胞测序技术结合，构建了一个良好的体外共培养模型，来模拟胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）的侵袭途径，证明了该模型在体外研究GBM侵袭和转录异质性方面是有用的，并在时间尺度上符合临床实践和高含量药物筛选的要求。

② 与乳腺癌细胞系和神经母细胞瘤细胞系相比，多能诱导干细胞来源的人脑类器官为GBM细胞的侵袭提供了骨架；通过组织清除和共聚焦成像，发现GBM细胞在类器官中会延伸出一个微管网络，这与其在体内的侵袭过程一致。

③ scRNA-seq分析不同患者来源的GBM细胞和与类器官共同培养前、后，发现其与类器官共同培养前、后的GBM细胞在转录水平存在差异，而不同患者来源和与类器官共同培养后的GBM细胞中均有45个基因表达水平上调，表明GBM细胞反应性地上调其分散所需的基因。

④ 基于受体-配体的虚拟筛选，确定了GBM细胞与类器官之间存在潜在的相互作用，这为功能性治疗靶点的研究提供了新的思路。（李泽坤）

人脑类器官培养与侵袭过程分析

Modeling glioblastoma invasion using human brain organoids and single-cell transcriptomics.

2020.08.17, DOI: 10.1093/neuonc/noaa091

研究文章；人，脑，类器官，胶质母细胞瘤，肿瘤侵袭，肿瘤细胞，异质性，scRNA-seq；Teresa G. Krieger, Roland Eils, Christian Conrad; Digital Health Center, Berlin Institute of Health;  Germany.

脑膜瘤

Meningiomas

临床适用的脑膜瘤综合分子分类法

Nature [IF：49.962]

① 使用来自121例患者的脑膜瘤样本来定义分子组，以及来自一个独立队列的80个样本来评估其普遍性，通过结合DNA体细胞点突变、DNA体细胞拷贝数改变、DNA甲基化和mRNA丰度进行单一分析，并进一步补充scRNA-seq数据，定义了一种具有直接临床相关性的脑膜瘤的分子分类学。

② 综合分析后，脑膜瘤被分为四种共识分子群：MG1~MG4，与现有的分类方案相比，这些分子群能更准确地预测预后；每个分子群均表现出独特的和典型的生物学特性（免疫原性、良性NF2野生型、高代谢性和增殖性），从而指导治疗方案选择。

③ 免疫原性（MG1）肿瘤富含参与免疫调节的蛋白，良性NF2野生型（MG2）富集血管和血管生成通路，而高代谢（MG3）脑膜瘤富集核苷酸和脂质代谢的蛋白通路，增殖（MG4）脑膜瘤富集于调节细胞周期和细胞增殖的蛋白基因集。

④ 基于液滴的snRNA-seq分析，确定了脑膜瘤的个体间差异，以及肿瘤细胞中内在表达程序的变化，这反映了所识别出的分子群的生物学特性。（Lina）

A clinically applicable integrative molecular classification of meningiomas.

2021.08.25, DOI: 10.1038/s41586-021-03850-3

研究文章；人，脑，脑膜瘤，分子分类，差异表达，snRNA-seq；Jeff Liu, Vikas Patil, Yasin Mamatjan, Justin Z. Wang, Kenneth Aldape, Gelareh Zadeh; University Health Network and University of Toronto, The International Consortium on Meningiomas; Canada.

单细胞分析揭示人类硬脑膜和脑膜瘤的细胞脑膜景观及脑膜瘤免疫反应

Genome Medicine [IF: 15.266]

① 应用scRNA-seq检测7个非肿瘤相关的人类硬脑膜样本和6个原发性脑膜瘤肿瘤样本（4 个匹配和2个不匹配），并结合免疫组化分析和成像质量细胞术，全面绘制了人类硬脑膜和脑膜瘤的免疫和非免疫细胞图谱，揭示了脑膜瘤中拷贝数变异的异质性。

② scRNA-seq分析表明，人类硬脑膜由多种免疫细胞、内皮细胞和间充质细胞类型组成，存在转录上不同于脑膜瘤的复杂免疫微环境。

③ 通过成像型质谱流式细胞分析，强调了非肿瘤相关硬脑膜中免疫细胞类型和血管系统之间的空间关系；利用单细胞TCR测序，揭示了脑膜和匹配的脑膜瘤样本中T细胞克隆型的多样性，并发现TCR克隆型可以同时存在于脑膜瘤和附近的、非肿瘤相关的硬脑膜部位。

④ 单细胞分析来自具有WHO I、II和III级特征的肿瘤细胞，观察到所有原发性脑膜瘤样本中拷贝数变异的异质性。（Lina）

非肿瘤相关的硬脑膜和脑膜瘤肿瘤切除的scRNA-seq流程图

Single-cell profling of human dura and meningioma reveals cellular meningeal landscape and insights into meningioma immune response.

2022.05.10, DOI: 10.1186/s13073-022-01051-9

研究文章；人，脑，脑膜瘤，硬脑膜，成像质量细胞术，scRNA-seq；Anthony Z. Wang, Jay A. Bowman‑Kirigin, Allegra A. Petti, Gavin P. Dunn; Washington University School of Medicine, Siteman Cancer Center, Massachusetts General Hospital; USA.

髓母细胞瘤

Medulloblastoma

空间蛋白质组学确定CD155和endophilin-A1是髓母细胞瘤生长和侵袭的介质

Life Science Alliance [IF：5.781]

①使用空间蛋白质组学方法，确定了静息和受体酪氨酸激酶（receptortyrosinekinase，RTK）激活的髓母细胞瘤（medulloblastoma，MB）肿瘤细胞的质膜（plasmamembrane，PM）相关蛋白质组，描述了MAP4K4（c-MET下游的促迁移效应激酶）在控制肿瘤细胞PM相关蛋白质组中的新功能，并确定了控制MB细胞增殖和侵袭的两种下游效应机制。

② 肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）激活细胞间充质-上皮转化因子（cellular mesenchymal–epithelial transition factor，c-MET）触发了MB细胞中PM相关蛋白质组的重组，并且MAP4K4参与了这一过程的选择性控制。

③ MAP4K4耗竭后适度降低了DAOY细胞对洛莫司汀（lomustine）的敏感性，但对依托泊苷（lomustine）治疗疗效无影响；MAP4K4可以通过调节K+转运体的PM关联来控制钾外排速率，从而维持受HGF刺激的细胞的最佳极化。

④ 细胞粘附分子CD155是SHH MB细胞模型中增殖、运动性和侵袭性的启动因子，有助于SHH MB细胞的组织侵袭和生长；MAP4K4依赖性维持生长因子激活细胞表面CD155的表达不仅可以影响细胞的迁移潜能，还可以局部（在肿瘤微环境中）抑制免疫系统激活。

⑤ endophilin-A1（几乎只在脑组织中表达）可能通过一种涉及网格蛋白非依赖性的内吞作用介导了MB细胞的迁移表型，有助于小脑组织中肿瘤细胞的侵袭行为，而不影响增殖。（Lina）

HGF刺激下的c-MET激活诱导c-MET内化并诱导MAP4K4依赖的血浆膜分离蛋白质组重组

Spatial proteomics fifinds CD155 and Endophilin-A1 as mediators of growth and invasion in medulloblastoma.

2022.03.16, DOI: 10.26508/lsa.202201380

研究文章；小鼠，脑，髓母细胞瘤，质膜相关蛋白，MAP4K4，CD155，endophilin-A1，空间蛋白质组；Charles Capdeville, Martin Baumgartner; University Children’s Hospital Zürich; Switzerland.

脑转移瘤

Leptomeningeal Metastases

未经治疗型人类黑色素瘤脑转移的生态系统

Cell [IF：66.850]

① 利用sc/sn RNA-seq对22例未接受治疗的黑色素瘤脑转移（melanoma brain metastasis，MBMs）患者和10例颅外黑色素瘤转移瘤（extracranial melanoma metastases，ECMs）患者样本进行分析，并匹配了空间单细胞转录组和T细胞受体（TCR）测序技术，建立了一个未治疗型MBMs和ECMs的多组学单细胞图谱，揭示了人黑色素瘤未经治疗情况下颅内转移和颅外转移的区别，包括基因组、转录谱变化，以及肿瘤微环境差异等。

② 通过多组学分析，共鉴定了9种主要细胞类型：恶性肿瘤细胞、白细胞、T细胞和NK细胞、B细胞和浆细胞、体细胞、中枢神经细胞、内皮细胞和上皮细胞，并发现与ECMs相比，MBMs中“功能失调”的CD8+ T细胞和髓系细胞的比例更高。

③ 来自MBMs的癌细胞在染色体上更不稳定，呈现神经元样的细胞状态，并富集于空间上不同表达的代谢途径，这很可能有助于恶性肿瘤颅内转录。

④ 髓系细胞（n=17,562）中绝大部分是单核细胞来源的巨噬细胞（monocyte-derived macrophages，MDMs；n = 13,049），主要包括表达与抗肿瘤免疫相关的基因的FTL+  MDM和表达与促肿瘤极化相关的几个基因的MDM-c1；MBMs中T细胞的分化轨迹与ECMs中描述的一致，但在免疫检查点的蛋白表达方面可能存在重要的差异。

⑤ 整合snRNA-seq和空间转录组分析显示，抗原呈递广泛表达，但MBM的代谢途径（如氧化磷酸化）和I型干扰素反应（如ISG15、IFI27和CXCL9）在空间上表达受限，表明抗原呈递不足以促进抗肿瘤免疫。（Lina）

人类黑色素瘤脑转移的生态系统

Dissecting the treatment-naive ecosystem of human melanoma brain metastasis.

2022.07.07，DOI：10.1016/j.cell.2022.06.007

研究文章；人，大脑，黑色素瘤脑转移，颅外黑色素瘤转移瘤，巨噬细胞，T细胞，空间转录组，snRNA-seq；Jana Biermann, Johannes C. Melms, Benjamin Izar; Columbia University Irving

Medical Center, Columbia University, Eberhard Karls University Tübingen; USA.

scRNA-seq确定脑脊液中肺癌脑转移的循环肿瘤细胞特征

Clinical and Translational Medicine [IF: 11.492]

① 建立了一种有效的脑脊液（cerebrospinal fluid，CSF）-循环肿瘤细胞（circulating tumor cells，CTCs）收集程序，从5例肺腺癌脑膜转移瘤（lung adenocarcinoma leptomeningeal metastases，LUAD-LM）患者和3例对照者中分离出单个CSF细胞，通过scRNA-seq分析3,792个单细胞转录组并对CSF细胞进行全面表征，首次揭示了CSF-CTCs在肿瘤内和肿瘤间的异质性，为来自LUAD-LM和原发部位不明（unknown primary site，CUP）-LM患者的CSF-CTCs的基于RNA的数字检测提供了候选基因。

② 通过聚类和表达分析，并根据上皮标记物、增殖标记物和具有肺来源的基因，在转录组水平上定义了CSF-CTCs；转移-CTCs特征基因在代谢途径和细胞粘附分子类别中富集，这对肿瘤细胞的生存和转移至关重要。

③ 患者CSF-CTCs存在显著的空间异质性，进一步量化这种异质性的程度，发现患者间的异质性显著高于患者内细胞间的异质性，这可以通过转移部位、细胞周期基因和癌症-睾丸抗原（cancer-testis antigen，CTA）表达谱的空间异质性以及显示间充质和癌症干特性的CTCs的比例来解释。

④ CSF-CTCs的转录组分析，能够实现对每个CUP的肿瘤细胞转录组模式的全面表征，并确定在特定细胞中以低频率表达的潜在生物标志物。（吕天智/Lina）

研究设计与主要发现

Circulating tumor cell characterization of lung cancer brainmetastases in the cerebrospinal fluid through single-celltranscriptome analysis.

2020.12.15, DOI: 10.1002/ctm2.246

研究文章；人，脑脊液，循环肿瘤细胞，肺腺癌脑膜转移瘤，异质性，scRNA-seq，RNA测序，Smart-seq2；Haoyu Ruan1, Yihang Zhou, Jie Shen, Xu Wang, Chao Zhang, Ming Guan; 复旦大学华山医院，同济大学，Auburn University；中国，USA.

scRNA-seq揭示乳腺癌和肺癌脑膜转移瘤中脑脊液肿瘤环境的特征

Clinical and Translational Medicine [IF: 8.554]

①基于来自GEO（GeneExpressionOmnibus）数据库的scRNA-seq数据，包括乳腺癌脑转移瘤（breastcancerleptomeningealmetastases，BC-LM）、肺癌脑转移瘤（lungcancerLM，LC-LM）5例患者来源的脑脊液（cerebrospinalfluid，CSF）样本，以及作为对照的来自于特发性颅内高压（idiopathicintracranialhypertension，IIH）4例患者的CSF样本，同时应用scRNA-seq检测了来自1例BC-LM患者的CSF样本，全面分析了LM患者中CSF肿瘤微环境（tumour microenvironment，TME）的单细胞转录组特征，揭示了BC CSF-CTCs（肿瘤循环细胞，circulating tumour cells）的转录可塑性，为LM的机制研究、诊断和治疗提供了新的思路。

② 对比分析BC-LM、LC-LM患者与IIH患者中CSF免疫细胞的特征，总共获得了26,274个CSF单细胞转录组数据（4个对照vs.5个LM），并将它们分为9个主要细胞簇，发现LM主要影响CSF巨噬细胞和调节性T细胞（Tregs）。

③ 采用PAM50模型将BC-LM患者的CSF-CTCs的特征分为了5种亚型，5种亚型特异性CSF-CTCs与巨噬细胞/单核细胞之间的相互作用最为显著，特别是MDK-SORL1和MDK-LRP1配体-受体对的相互作用。

④ 5种亚型特异性CSF-CTCs在细胞增殖和癌症-睾丸抗原表达方面表现出很大的异质性；基因调控网络分析显示，转录因子SREBF2在5种亚型特异性CSF-CTCs中普遍被激活，其对BC-LM的进展至关重要。（Lina）

乳腺癌和肺癌脑膜转移瘤中脑脊液肿瘤环境的特征

Single-cell RNA sequencing reveals the characteristics of cerebrospinal fluid tumour environment in breast cancer and lung cancer leptomeningeal metastases.

2022.06.09, DOI: 10.1002/ctm2.885

研究文章；人，脑脊液，脑膜转移，乳腺癌，肺癌，循环肿瘤细胞，基因调节网络，肿瘤微环境，scRNA-seq；Haoyu Ruan, Zhe Wang, Chao Zhang, Ming Guan, Shiyang Pan; 南京医科大学第一附属医院，第二军医大学，复旦大学华山医院，上海交通大学；中国

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