原創(chuàng) 奇點糕

腦轉移瘤（BrM）指原發(fā)于身體其他部位的腫瘤細胞轉移至顱內，造成腫瘤在顱內生長的一種疾病，以肺癌腦轉移最為常見，其次為乳腺癌和黑色素瘤。

據統(tǒng)計，癌癥患者發(fā)生腦轉移的概率高達20%-40%[1]，即使進行了積極的綜合治療，腦轉移瘤患者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)學界對于腫瘤細胞轉移到腦中并定植的分子機制知之甚少，也缺乏關于腦轉移瘤內細胞組成及功能狀態(tài)的詳細信息，這些都阻礙著研究人員對腦轉移瘤進行深入研究。

近期，來自加州大學舊金山分校的Hugo Gonzalez教授團隊通過對腦轉移瘤組織進行單細胞測序（scRNA-seq），并結合質譜流式（CyTOF）等技術，揭示了腦轉移瘤細胞以增殖和炎癥作為主要的兩種細胞狀態(tài)，并對基質中的免疫細胞與細胞微環(huán)境的關系進行了總結和剖析，有助于對腦轉移瘤細胞特性及其與細胞微環(huán)境交互的理解，相關成果發(fā)表于《細胞》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例患者的腦轉移瘤標本，對其進行單細胞測序，并對其中11個樣本基于免疫表型進行質譜流式分析。

最后總共捕獲了80377個單細胞轉錄本，通過評估標記物表達、染色體畸變、拷貝數變異等對細胞進行注釋，將其標記為49488個腦轉移瘤細胞（MTC）及30889個腦轉移瘤相關非惡性基質細胞。

有趣的是，來自不同患者的腫瘤基質細胞在降維圖（UMAP）中形成了多個聚集性的簇，而每個患者的腦轉移瘤細胞則形成了獨立的簇，且每個病例之間均沒有重疊，這提示了腦轉移瘤細胞具有高度患者間異質性（圖1）。

▲ 圖1 對15位患者的腦轉移瘤組織進行scRNA-seq和CyTOF，通過UMAP降維，并對細胞進行注釋

研究人員首先分析了腫瘤中的基質細胞，發(fā)現其主要由血管細胞（內皮細胞和壁細胞）、炎性免疫細胞和間充質祖細胞組成，并根據標記基因的表達確定了20個不同的簇（圖2）。

▲ 圖2腫瘤中的基質細胞：具有標記基因CLDN5和PECAM1的內皮細胞（EC-1，EC-2和EC-3簇）、具有標記基因RGS5和ACTA2的壁細胞（PC）和血管平滑肌細胞（vSMCs，PC-1，PC-2，PC-3簇）、具有標記基因ISLR和CTHRC1的間充質基質細胞樣細胞（MSC-like-1和MSC-like-2）、具有標記基因CD3D和IL7R的 T細胞（T:CD8+:EM，T:CD4+:CM1，T:CD4+:cm2，Tregs和T:Cm）、具有標記基因JCHAIN和MZB1的B細胞（B-c1和B-c2）、具有標記基因AIF1和LYZ的轉移相關巨噬細胞（MAMs:APOE+和MAMs:S100A8+）、具有標記基因CD1C和CLEC10A的樹突狀細胞（DC，cDC2:CD1C+/CLEC10A+）及具有標記基因GFAP和S100B的星形膠質細胞

基質中的血管細胞構成了血-腫瘤界面（BTI），與腦轉移瘤患者的化療抵抗息息相關。根據scRNA-seq結果，血管內皮細胞主要分為了三個簇（EC-1、EC-2和EC-3），其中EC-3為動脈樣內皮細胞（標志基因為EFNB2和GJA5），EC-2為靜脈樣內皮細胞（標志基因為ACKR1和NR2F2），EC-1則介于兩者之間。EC-1簇細胞表達與血管生成和膠原沉積等過程相關的基因，EC-2簇則表達與缺氧、炎癥和抗原呈遞相關的基因。

此外，研究人員還在內皮細胞中檢測到6個多特異性ATP結合盒（ABC），包括ABCB1（即多藥耐藥蛋白1，MDR）和ABCG2，這兩種轉運蛋白都是正常血腦屏障中的關鍵分子，在靜脈樣（EC-2簇）內皮細胞匯聚的區(qū)域明顯高表達（圖3）。

▲ 圖3 在內皮細胞中檢測到6個多特異性ATP結合盒（ABC），ABCB1和ABCG2在靜脈樣（EC-2簇，紅色）內皮細胞匯聚的區(qū)域明顯高表達

接著研究人員分析了腦轉移瘤中浸潤免疫細胞的特征，發(fā)現腦轉移瘤中的免疫細胞以T細胞和巨噬細胞為主，其中T細胞展現出了更高的異質性，主要由5個簇組成：CD8+效應記憶T細胞（T:CD8+:EM簇，表示CD8+ effector memory T cells，下文以此類推）、中央記憶T細胞（T:CD4+:CM1簇、T:CD4+:CM2簇和T:CM簇）和調節(jié)性T細胞（Tregs簇）。

這些細胞具有不同的免疫狀態(tài)與功能，如T:CD8+:EM簇富含細胞毒性分子（如GZMA和IFNG），T:CD4+:CM簇則代表一種高表達LTB、IL32等免疫調節(jié)標記物的激活狀態(tài)，而表達低水平CD4和CD8A的T:CM簇雖然也表達LTB和IL32，但其還富集干擾素相關基因（如ISG15和MX1）。

為了更好地理解這些T細胞狀態(tài)及功能轉變，研究人員使用了一種非線性降維技術，用以捕捉高維數據中的幾何結構和功能狀態(tài)[4]。這一分析表明，這5個T細胞簇按擴散成分1（DC1）分數有序排列。

在與DC1呈正相關的前50個基因中，有與淋巴細胞活化相關的分子（如CORO1A和LCK）、與趨化和遷移相關的分子（如CCR7和CXCR4），且這前50個DC1相關基因的表達與T細胞激活基因簇（GO：0042110）之間有很強的相關性，表明T細胞激活狀態(tài)的不同驅動了T細胞的多樣性。（圖4）

▲ 圖4 5個T細胞簇按擴散成分1（DC1）分數有序排列，且前50個DC1相關基因的表達與T細胞激活基因簇（GO：0042110）之間有很強的相關性

為了了解每種T細胞狀態(tài)與細胞微環(huán)境相關作用，研究人員評估了調控微環(huán)境和代謝相關基因的表達，結果發(fā)現干擾素信號相關基因在T:Cm簇中占主導地位，與T細胞高激活相關的耗竭特征富集在T:CD8+:EM和T:CD4+:CM簇中，而那些DC1評分較低的T細胞簇（T:CD4+:cm2，Treg和T:Cm）則表現出強烈的無功能特征。

此外，從激活的T細胞到無功能的T細胞的這種表型轉變，與細胞代謝從糖酵解和三羧酸循環(huán)為主向脂質代謝為主的轉變相吻合，以上結果揭示了T細胞功能狀態(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。

最后，研究人員還研究了腦轉移瘤中的主體——腫瘤細胞，通過非負矩陣分解（NMFS）的方法[5]，識別出了兩類潛在的腫瘤細胞亞群，且在外部數據集和動物腦轉移模型中發(fā)現了同樣的現象：一群高表達增殖和pre-mRNA剪接相關基因，另一群高表達是應激、炎癥、翻譯和細胞外基質沉積相關基因。產生這兩類細胞群體很可能與細胞外基質相關。

該研究也存在一定局限性，由于缺乏匹配的顱外原發(fā)腫瘤的數據，導致無法研究腦轉移瘤與原發(fā)腫瘤之間的差異與聯系。

總的來說，這個研究全面分析了腦轉移瘤中細胞類型和細胞功能狀態(tài)，通過對腦轉移瘤細胞、免疫細胞和其他基質細胞的單細胞分辨率分析，加深了對腫瘤細胞固有特性和細胞微環(huán)境特性在腫瘤腦轉移中的相互作用的理解，有助于將來針對腦轉移瘤的療法的開發(fā)。