單細胞轉錄組+PDX模型揭示膠質(zhì)母細胞瘤復發(fā)機制
編者按
單細胞轉錄組測序技術與患者來源異種移植模型（PDX）正成為腫瘤研究的“雙劍合璧”，為攻克膠質(zhì)母細胞瘤（GBM）復發(fā)之謎提供了全新視角。GBM以其高度異質(zhì)性和治療耐藥性聞名，但復發(fā)機制仍不明確。本研究通過單細胞技術解析了GBM的六種細胞狀態(tài)，揭示了癌癥干細胞（CSCs）在復發(fā)中的核心作用，同時利用PDX模型高度保真地模擬了腫瘤進展和治療反應。兩者的結合，不僅為理解GBM的分子機制提供了深度，也為開發(fā)精準治療策略奠定了基礎。想了解單細胞技術和PDX模型如何破解腫瘤復發(fā)的科學密碼？這篇解讀帶你一探究竟！
01 研究背景
膠質(zhì)母細胞瘤（GBM）是一種預后極差的致命疾病，主要原因是手術和化療后的腫瘤復發(fā)。GBM的高度瘤內(nèi)異質(zhì)性被認為是治療失敗和復發(fā)的主要驅動因素，但關于其異質(zhì)性來源及其在復發(fā)中的作用尚未達成共識。基因組和單細胞轉錄組研究揭示了GBM的細胞和分子異質(zhì)性，但現(xiàn)有臨床前模型（如腫瘤來源的細胞系和基因工程小鼠模型）在模擬人類GBM治療反應和復發(fā)方面存在局限性。患者來源的異種移植模型（PDX）雖然提供了更接近人類腫瘤的模型，但其在連續(xù)移植中的穩(wěn)定性和保真度仍需驗證。此外，盡管多項研究提出了GBM細胞狀態(tài)的可塑性，但鑒定和分離導致治療耐藥性和復發(fā)的關鍵細胞類型仍是亟待解決的問題。本研究旨在通過單細胞轉錄組技術和原位PDX模型，解析GBM異質(zhì)性，揭示癌癥干細胞（CSCs）在腫瘤復發(fā)中的核心作用，為開發(fā)更有效的治療策略提供理論基礎。
02 文章詳情
文章題目：Glioblastoma functional heterogeneity and enrichment of cancer stem cells with tumor recurrence
中文題目：膠質(zhì)母細胞瘤的功能異質(zhì)性與腫瘤復發(fā)中癌癥干細胞的富集
發(fā)表時間：2024.12
期刊名稱：Neuron
影響因子：14.7
技術平臺：10x Genomics單細胞轉錄組測序技術
DOI：10.1016/j.neuron.2024.10.012
03 研究結果
1. 無監(jiān)督聚類PDX中的GBM細胞
為了解決GBM腫瘤異質(zhì)性及其在復發(fā)中的作用問題，研究者利用10X單細胞RNA測序（scRNA-seq）和UMAP可視化技術，對8個GBM PDX樣本進行了無監(jiān)督聚類分析。通過Seurat包和典型相關分析（CCA），研究者識別出六個獨特的GBM轉錄狀態(tài)（CT1–CT6），每個簇具有特定的基因特征。這些特征在整合的PDX樣本中表現(xiàn)出高特異性和穩(wěn)健性，揭示了GBM細胞異質(zhì)性的層次結構，并驗證了無監(jiān)督分析方法的可靠性。
Fig1. 無監(jiān)督的轉錄細胞簇的描述和8個人GBM的特征2. 經(jīng)驗性細胞簇劃分與CNS細胞譜系的一致性
為了驗證GBM細胞簇是否與中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）細胞譜系相關，研究者將CT1–CT6簇與已知的CNS細胞基因特征進行比較。結果顯示，CT1簇與神經(jīng)干細胞（NSC）特征一致，CT3和CT4分別與增殖相關的S期和有絲分裂基因特征相關，CT5和CT6分別與少突膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元譜系相關。CT2簇則表現(xiàn)出獨特的代謝和形態(tài)發(fā)生特征，未與任何CNS譜系直接關聯(lián)。這些結果表明，GBM細胞異質(zhì)性與CNS細胞譜系密切相關，但部分細胞狀態(tài)可能代表獨特的腫瘤細胞類型。
Fig2. 無監(jiān)督的GBM細胞簇名稱與CNS譜系轉錄特征一致3. 連續(xù)異種移植中的基因組穩(wěn)定性和層次結構
為了研究GBM異質(zhì)性在連續(xù)異種移植中的穩(wěn)定性，研究者對多個PDX樣本進行了長達10次的連續(xù)移植，并通過體細胞突變測序（MSK-IMPACT）和RNA-seq分析基因組和轉錄組的穩(wěn)定性。結果顯示，GBM相關驅動突變和拷貝數(shù)變異（CNV）在移植過程中保持穩(wěn)定。CT1簇（CSC）在移植中持續(xù)存在并擴增，而CT6簇（神經(jīng)元譜系）逐漸減少。這些發(fā)現(xiàn)支持了CSC在腫瘤層次結構中的頂端地位，并揭示了GBM異質(zhì)性在長期移植中的動態(tài)變化。
Fig3. GBM的擴展異種移植的基因組和轉錄穩(wěn)定性4. CT1 CSCs在化療后富集
為了探究化療對GBM細胞異質(zhì)性的影響，研究者使用替莫唑胺（TMZ）處理原位移植的PDX模型，并通過scRNA-seq分析細胞簇的變化。結果顯示，TMZ處理后，CT1簇（CSC）顯著擴增，而CT2–CT6簇減少。這表明TMZ介導的細胞毒性導致GBM異質(zhì)性減少，CSC在化療后富集，進一步支持了CSC在治療耐藥性中的關鍵作用。
Fig4. CSC（CT1）GBM細胞簇通過擴展對急性TMZ治療做出反應5. CT1 CSCs在復發(fā)性人類GBM中擴增
為了研究GBM復發(fā)中CSC的作用，研究者比較了同一患者原發(fā)性和復發(fā)性GBM樣本的PDX模型。流式細胞術和功能性實驗顯示，復發(fā)性腫瘤中F3+ CSC含量顯著增加，且復發(fā)性腫瘤表現(xiàn)出更快的生長速度和更低的TMZ敏感性。scRNA-seq分析進一步證實，復發(fā)性腫瘤中CT1簇（CSC）顯著擴增，而CT6簇（神經(jīng)元譜系）減少。這些結果表明，GBM復發(fā)伴隨著CSC的擴增，導致更具侵襲性的表型。
Fig5. 同一患者復發(fā)性腫瘤中的CSC（CT1）GBM細胞擴增6. CT1–CT6 GBM異質(zhì)性在原發(fā)性GBM患者樣本中持續(xù)存在
為了驗證CT1–CT6特征在患者樣本中的普遍性，研究者分析了多個獨立產(chǎn)生的原發(fā)性和復發(fā)性GBM單細胞數(shù)據(jù)集。結果顯示，CT1–CT6特征專門識別腫瘤細胞，并與TME細胞（如神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞和免疫細胞）明顯區(qū)分。復發(fā)性腫瘤中CT1簇顯著擴增，而CT6簇減少，進一步支持了CSC在腫瘤復發(fā)中的核心作用。這些結果表明，CT1–CT6特征能夠有效評估GBM異質(zhì)性，并強調(diào)了原位PDX模型在重現(xiàn)GBM進展和復發(fā)中的保真性。
Fig6.CT1–CT6特征描述了腫瘤微環(huán)境和CT1細胞在復發(fā)的GBM中更豐富主要結論
本研究描述了GBM的異質(zhì)性，并強調(diào)了靜止癌癥干細胞（qCSCs）在表型和層次結構中的關鍵作用。通過對患者來源的異種移植模型（PDXs）進行無監(jiān)督的單細胞轉錄組分析，我們劃分了六種GBM轉錄狀態(tài)，這些狀態(tài)具有獨特的腫瘤特異性基因特征，其中五種與中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）細胞譜系一致。我們通過連續(xù)異種移植實驗模擬腫瘤進化，證明了體細胞突變、轉錄組和qCSCs的忠實保留。PDX化療導致CSC耐藥性和擴增，這種現(xiàn)象在復發(fā)性患者GBM中也可見到。總體而言，這些新穎的GBM轉錄特征能夠特異性地識別腫瘤細胞，并將其層次結構定義為穩(wěn)定的、生物學上可區(qū)分的細胞類型，從而捕捉其在復發(fā)時的進化過程，強調(diào)了CSC的重要性，并證明了其對所有GBM的普遍意義。
參考文獻
Xie, Xuanhua P et al. “Glioblastoma functional heterogeneity and enrichment of cancer stem cells with tumor recurrence.” Neuron vol. 112,24 (2024): 4017-4032.e6.
