單細胞轉錄組+PDX模型揭示膠質母細胞瘤復發機制
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”，為攻克膠質母細胞瘤（GBM）復發之謎提供了全新視角。GBM以其高度異質性和治療耐藥性聞名，但復發機制仍不明確。本研究通過單細胞技術解析了GBM的六種細胞狀態，揭示了癌癥干細胞（CSCs）在復發中的核心作用，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的科學密碼？這篇解讀帶你一探究竟！
01 研究背景
膠質母細胞瘤（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。GBM的高度瘤內異質性被認為是治療失敗和復發的主要驅動因素，但關于其異質性來源及其在復發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的細胞和分子異質性，但現有臨床前模型（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，但其在連續移植中的穩定性和保真度仍需驗證。此外，盡管多項研究提出了GBM細胞狀態的可塑性，但鑒定和分離導致治療耐藥性和復發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異質性，揭示癌癥干細胞（CSCs）在腫瘤復發中的核心作用，為開發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：膠質母細胞瘤的功能異質性與腫瘤復發中癌癥干細胞的富集
發表時間：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. 無監督聚類PDX中的GBM細胞
為了解決GBM腫瘤異質性及其在復發中的作用問題，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（CT1–CT6），每個簇具有特定的基因特征。這些特征在整合的PDX樣本中表現出高特異性和穩健性，揭示了GBM細胞異質性的層次結構，并驗證了無監督分析方法的可靠性。
Fig1. 無監督的轉錄細胞簇的描述和8個人GBM的特征2. 經驗性細胞簇劃分與CNS細胞譜系的一致性
為了驗證GBM細胞簇是否與中樞神經系統（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分別與少突膠質細胞和神經元譜系相關。CT2簇則表現出獨特的代謝和形態發生特征，未與任何CNS譜系直接關聯。這些結果表明，GBM細胞異質性與CNS細胞譜系密切相關，但部分細胞狀態可能代表獨特的腫瘤細胞類型。
Fig2. 無監督的GBM細胞簇名稱與CNS譜系轉錄特征一致3. 連續異種移植中的基因組穩定性和層次結構
為了研究GBM異質性在連續異種移植中的穩定性，研究者對多個PDX樣本進行了長達10次的連續移植，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定性。結果顯示，GBM相關驅動突變和拷貝數變異（CNV）在移植過程中保持穩定。CT1簇（CSC）在移植中持續存在并擴增，而CT6簇（神經元譜系）逐漸減少。這些發現支持了CSC在腫瘤層次結構中的頂端地位，并揭示了GBM異質性在長期移植中的動態變化。
Fig3. GBM的擴展異種移植的基因組和轉錄穩定性4. CT1 CSCs在化療后富集
為了探究化療對GBM細胞異質性的影響，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在復發性人類GBM中擴增
為了研究GBM復發中CSC的作用，研究者比較了同一患者原發性和復發性GBM樣本的PDX模型。流式細胞術和功能性實驗顯示，復發性腫瘤中F3+ CSC含量顯著增加，且復發性腫瘤表現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，復發性腫瘤中CT1簇（CSC）顯著擴增，而CT6簇（神經元譜系）減少。這些結果表明，GBM復發伴隨著CSC的擴增，導致更具侵襲性的表型。
Fig5. 同一患者復發性腫瘤中的CSC（CT1）GBM細胞擴增6. CT1–CT6 GBM異質性在原發性GBM患者樣本中持續存在
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生的原發性和復發性GBM單細胞數據集。結果顯示，CT1–CT6特征專門識別腫瘤細胞，并與TME細胞（如神經元、膠質細胞和免疫細胞）明顯區分。復發性腫瘤中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異質性，并強調了原位PDX模型在重現GBM進展和復發中的保真性。
Fig6.CT1–CT6特征描述了腫瘤微環境和CT1細胞在復發的GBM中更豐富主要結論
本研究描述了GBM的異質性，并強調了靜止癌癥干細胞（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）進行無監督的單細胞轉錄組分析，我們劃分了六種GBM轉錄狀態，這些狀態具有獨特的腫瘤特異性基因特征，其中五種與中樞神經系統（CNS）細胞譜系一致。我們通過連續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，這種現象在復發性患者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定的、生物學上可區分的細胞類型，從而捕捉其在復發時的進化過程，強調了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.
