单细胞基因组学解析胶质母细胞瘤生态系统的纵向演变轨迹，为攻克癌症带来新曙光

《Nature Genetics》：Deciphering the longitudinal trajectories of glioblastoma ecosystems by integrative single-cell genomics

胶质母细胞瘤（GBM）是一种恶性程度极高的脑部肿瘤，现有研究对 IDH 野生型 GBM 经标准治疗后的演变了解不足。研究人员通过单细胞 RNA 测序和批量 DNA 测序，分析 59 例患者的原发性和复发性 GBM。发现复发时恶性细胞比例降低等变化，明确了影响复发轨迹的因素，为精准治疗提供依据。

　　胶质母细胞瘤（Glioblastoma，GBM），这个名字听起来就让人胆寒，它是脑部肿瘤中的 “大反派”，恶性程度极高，严重威胁着患者的生命健康。尽管在基础和转化研究方面取得了不少进展，但目前它仍然是一种难以治愈的疾病。对于异柠檬酸脱氢酶（IDH）野生型的 GBM 患者来说，标准治疗方案通常是手术切除，再加上放疗和替莫唑胺（TMZ）化疗。然而，这种治疗往往只能取得部分缓解，疾病几乎总会复发，患者的中位总生存期仅为 14.6 个月。

之前的研究在探索 GBM 复发机制时遇到了不少阻碍。一些研究通过批量组织分析，无法细致地探究恶性细胞和肿瘤微环境（Tumor Microenvironment，TME）细胞类型及细胞状态的演变；而单细胞纵向研究的样本量有限，临床元数据也不足，很难将单细胞分析结果与临床情况直接关联起来。所以，GBM 在治疗后的变化仍然迷雾重重，亟待揭开真相。

为了驱散这片迷雾，来自多个国家的研究人员组成了 GBM 细胞抗性与进化分析（CARE）联盟，开展了一项极具意义的研究。他们对 59 例患者的原发性和复发性 GBM 样本进行了单细胞核 RNA 测序（snRNA-seq）以及全外显子测序（WES）或全基因组测序（WGS），详细分析了 GBM 生态系统在细胞和分子层面的纵向演变。

这项研究成果发表在《Nature Genetics》杂志上，为我们带来了许多重要发现。

研究人员在研究过程中，运用了多种关键技术方法。首先是样本采集，他们从 7 个国家的 7 家医院收集了 GBM 患者的原发性和复发性肿瘤样本。然后，通过单细胞核 RNA 测序（snRNA-seq）技术，对样本中的细胞进行转录组分析；同时，利用全外显子测序（WES）或全基因组测序（WGS）技术，对样本的 DNA 进行分析，以获取基因变异信息。

下面我们来详细看看研究结果：

• 临床注释 GBM 队列的纵向分析：研究人员收集了 121 个肿瘤样本，这些样本来自 59 例患者的原发性和复发性手术。多数样本来自两个时间点，少数来自三个时间点。肿瘤样本的突变和拷贝数变异（CNA）谱显示，驱动基因改变的频率与之前研究相符，但部分病例在复发时出现了治疗相关的 DNA 高突变或小缺失负担增加123。
• 细胞类型组成的纵向变化：对比原发性和复发性肿瘤，发现复发性肿瘤中恶性细胞的丰度显著降低，而神经胶质 TME 细胞（如少突胶质细胞、神经元和星形胶质细胞）的丰度增加。进一步分析还发现，复发性肿瘤中富含反应性星形胶质细胞和表达干扰素程序的少突胶质细胞。此外，不同细胞类型组成的患者生存时间存在差异，具有神经胶质 TME 的患者在第二次手术后生存时间更长456。
• 转录特征的纵向稳定性：研究人员识别出了 GBM 的十种元程序和三种基线基因表达谱。虽然原发性和复发性样本中恶性细胞状态的丰度没有显著差异，但生存分析表明，复发性肿瘤中 MES 样 / 缺氧组的预后明显更差。同时，研究还发现 GBM 生态系统各成分之间的相互作用在原发性和复发性肿瘤中大多保持稳定，但也存在一些差异，如神经元高生态系统与不同恶性细胞状态的优先关联在原发性和复发性样本中有所不同789。
• 个体样本对的差异：尽管整体上细胞类型和恶性细胞状态具有保守性，但个体样本对之间存在广泛差异。多数样本对在诊断和复发时的组成、恶性状态和基线基因表达谱分组发生了变化。不过，匹配样本对在转录组分类上仍比随机样本对更具保守性1011。
• GBM 单细胞中 MGMT 表达对复发轨迹的影响：研究发现，MGMT 启动子甲基化的患者手术间隔更长。恶性细胞中 MGMT 的表达在原发性 MGMT 甲基化样本中显著低于原发性 MGMT 未甲基化样本，且 MGMT 表达水平与复发时 MES 样状态的丰度变化相关。MGMT 低表达的肿瘤复发时 MES 样状态丰度降低，而 MGMT 高表达的肿瘤则相反121314。
• 与复发轨迹相关的突变特征：治疗会影响 GBM 的遗传进化，复发时突变负担通常增加。研究观察到 COSMIC v3 单碱基替换（SBS）特征中，SBS1 减少，SBS21 增加。具有小缺失表型的患者在复发时缺氧和 MES 样细胞状态富集，且遗传进化与转录进化存在显著相关性151617。

研究结论和讨论部分进一步强调了这些发现的重要意义。该研究全面地描绘了 GBM 在标准治疗后的纵向演变轨迹，揭示了患者间存在的广泛差异。虽然许多轨迹难以预测，但研究人员找到了与特定轨迹相关的患者特征，如 MGMT 甲基化和小缺失负担增加，这极大地拓展了我们对 GBM 复发的理解。与以往研究不同，该研究表明某些转录轨迹并非普遍存在，而是仅在特定患者亚群中富集，这可能是由于技术、队列 / 采样和分析方法的差异导致的。这项研究为 GBM 的治疗提供了更精准的依据，有助于分层治疗复发性患者，推动针对 GBM 的个性化治疗策略的发展，为攻克这一难治性肿瘤带来了新的希望。