利用SMI和DSP技術(shù)探索膠質(zhì)母細胞瘤的腫瘤侵襲與微環(huán)境變化

文章題目：膠質(zhì)母細胞瘤細胞在侵入的腦組織中增強了Notch信號通路和突觸基因表達
期刊名稱：Nature Communications
影響因子：14.7

文章背景

膠質(zhì)母細胞瘤（GBM）是最致命的腦部惡性腫瘤之一，患者的中位生存期約為15個月。常規(guī)治療包括最大限度的手術(shù)切除、化療和放療。然而，惡性細胞通過擴散到周圍健康腦組織以逃避手術(shù)切除，導致90%患者在術(shù)后一年內(nèi)出現(xiàn)復發(fā)。目前對于腫瘤擴散到腦組織中的惡性細胞了解較少。本研究通過CosMx Spatial Molecular Imaging（SMI）和GeoMx Digital Spatial Profiler (DSP)兩種空間轉(zhuǎn)錄組學技術(shù)分析惡性細胞在腫瘤核心和被侵入的腦組織中的基因表達差異，旨在加深對這些逃逸細胞的了解，進而為靶向治療提供新思路。

技術(shù)方案

CosMx Spatial Molecular Imaging（SMI）技術(shù)，使用來自5個原發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤（GBM）患者的6個腫瘤FFPE樣本，使用了960個基因的panel。

GeoMx Digital Spatial Profiler (DSP)技術(shù)，使用了7個原發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤樣本和1個IDH突變的4級原發(fā)性星形細胞瘤FFPE樣本，使用了GeoMX Human Whole Transcriptome RNA panel。形態(tài)學標記為p53、IBA1、GFAP、Syto13。

文章結(jié)論

1. 膠質(zhì)母細胞瘤腫瘤核心和浸潤腦組織的單細胞空間譜顯示不同的細胞組成

研究通過CosMx SMI空間分子成像技術(shù)，通過分析5個GBM樣本中的細胞比例，結(jié)合患者特異性聚類模式和已知基因標記，區(qū)分出惡性細胞和正常細胞。研究發(fā)現(xiàn)空間轉(zhuǎn)錄組學技術(shù)與單細胞RNA測序在血管細胞和神經(jīng)元的比例上的細胞組成存在差異，但空間轉(zhuǎn)錄組學更接近GBM腫瘤的真實細胞比例。不同患者之間的細胞比例和基因表達存在一定的差異。惡性細胞具有獨特的轉(zhuǎn)錄模式，可以表現(xiàn)出類似神經(jīng)發(fā)育或分化的腦細胞狀態(tài)。

單細胞空間轉(zhuǎn)錄組學表征膠質(zhì)母細胞瘤的組織學特征

2. 間質(zhì)惡性腫瘤狀態(tài)與壞死區(qū)域和微血管增生有關，并表達與血管生長和穩(wěn)態(tài)有關的基因

通過鄰域分析，研究發(fā)現(xiàn)不同的細胞群體富集在特定區(qū)域。壞死區(qū)和微血管增生區(qū)富含惡性間充質(zhì)樣（MES-like）狀態(tài)的細胞，以及腫瘤相關巨噬細胞和血管細胞。被侵入的腦組織區(qū)域則富含神經(jīng)祖細胞（NPC-like）、少突膠質(zhì)前體細胞（OPC-like）和星形膠質(zhì)細胞（AC-like）狀態(tài)的細胞。在壞死區(qū)域，間充質(zhì)樣惡性細胞中與間充質(zhì)狀態(tài)相關的基因顯著上調(diào)。在微血管增生區(qū)域，與血管生長和穩(wěn)態(tài)相關的基因高表達。這些發(fā)現(xiàn)支持間充質(zhì)樣細胞在維持膠質(zhì)母細胞瘤組織結(jié)構(gòu)和血管穩(wěn)態(tài)中的作用。

膠質(zhì)母細胞瘤組織學特征的細胞鄰域分析

3. 空間軌跡識別腫瘤核心和鄰近浸潤腦組織中與惡性狀態(tài)相關的差異表達基因

通過空間軌跡分析發(fā)現(xiàn)在腫瘤核心區(qū)域，惡性細胞主要呈現(xiàn)間充質(zhì)樣（MES-like）狀態(tài)，具有較強的侵襲性和耐藥性。而在侵入正常腦組織后，這些細胞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹PC-like、OPC-like和AC-like狀態(tài)。在侵入性腦組織中與Notch信號通路和突觸相關的基因表達顯著上調(diào)。此外，核心區(qū)域的TAMs更傾向于表達免疫反應相關基因，而侵入?yún)^(qū)域的TAMs則表達更多與神經(jīng)發(fā)育相關的基因。這些結(jié)果表明，隨著膠質(zhì)母細胞瘤細胞的擴散，細胞狀態(tài)和基因表達發(fā)生了復雜的變化。

膠質(zhì)母細胞瘤腫瘤邊界的空間軌跡分析

4. 膠質(zhì)母細胞瘤侵襲性進展中的細胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變與微環(huán)境相互作用對患者預后的影響

隨后研究進一步利用GeoMx DSP技術(shù)分析了腫瘤核心、侵入性腦組織和腫瘤邊緣的基因表達。發(fā)現(xiàn)在腫瘤核心區(qū)域，惡性細胞的基因表達主要集中于間充質(zhì)樣狀態(tài)。在侵入性腦組織中，這些細胞逐漸過渡到神經(jīng)前體樣和少突膠質(zhì)細胞樣狀態(tài)。間充質(zhì)型腫瘤在侵入性腦組織中表現(xiàn)出與星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)前體細胞相關的基因上調(diào)，而神經(jīng)前體型腫瘤則傾向于保持其原有的神經(jīng)發(fā)育特征。侵入性腦組織中的膠質(zhì)母細胞瘤上調(diào)了與Notch信號通路、神經(jīng)突觸和細胞分化相關的基因模塊。研究還發(fā)現(xiàn)，正常腦組織中的基因模塊的高表達與患者較差的生存率相關。通過更加細致的GeoMx DSP分析，進一步支持了膠質(zhì)母細胞瘤在侵入過程中發(fā)生的細胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變和基因表達變化以及對患者預后的影響。

膠質(zhì)母細胞瘤腫瘤的GeoMx DSP分析

文章總結(jié)

這篇文章通過CosMx SMI、GeoMx DSP空間轉(zhuǎn)錄組學技術(shù)，深入分析了膠質(zhì)母細胞瘤（GBM）在腫瘤核心和侵入性腦組織中的基因表達變化。研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤核心的惡性細胞呈現(xiàn)出間充質(zhì)樣狀態(tài)，而在侵入健康腦組織時，細胞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)祖細胞樣和少突膠質(zhì)樣狀態(tài)。Notch信號通路、神經(jīng)發(fā)育和突觸相關基因在侵入性區(qū)域中顯著上調(diào)，表明這些基因在腫瘤擴散中可能起到重要作用。此外，研究還揭示了膠質(zhì)母細胞瘤的侵襲性不僅依賴于惡性細胞的轉(zhuǎn)變，還與健康腦組織的反應密切相關，揭示了腫瘤微環(huán)境對腫瘤發(fā)展和患者預后的關鍵作用�？傮w而言，該研究強調(diào)了膠質(zhì)母細胞瘤的動態(tài)異質(zhì)性和腫瘤細胞與微環(huán)境的復雜相互作用。理解這些相互作用有助于開發(fā)新的治療策略，尤其是針對侵入性腫瘤細胞和其周圍的微環(huán)境，可能為改善患者預后提供新的思路。