单细胞与空间转录组解析GDF家族在肿瘤中的致癌作用：聚焦GDF15在肝细胞癌中的预后价值与生物学机制

本研究通过整合单细胞与空间转录组技术，系统解析了生长分化因子(GDF)亚家族在33种癌症中的表达特征，重点揭示了GDF15通过调控肿瘤微环境(TME)中细胞互作网络（特别是与癌症相关成纤维细胞(CAFs)的PERIOSTIN通路）促进肝细胞癌(HCC)进展的机制。研究人员采用功能获得/缺失实验证实GDF15可增强HCC细胞增殖侵袭能力，并通过诱导巨噬细胞M2型极化塑造免疫抑制性微环境。该研究为GDF亚家族作为泛癌诊断标志物和免疫治疗靶点提供了理论依据。

　　

在肿瘤研究领域，生长分化因子(GDF)亚家族作为转化生长因子-β(TGF-β)超家族成员，其异常表达与多种癌症进展密切相关。然而，既往研究多局限于特定癌种，缺乏基于临床大数据的系统性分析，特别是GDF成员在肿瘤微环境(TME)中与免疫细胞互作的机制尚未阐明。其中，GDF15作为应激反应蛋白，在心脏衰竭、慢性肝病等病理状态下显著升高，但其在肝细胞癌(HCC)生态系统中的空间分布特征和免疫调控作用仍存在认知空白。这些关键科学问题的解答，对开发新型肿瘤诊断标志物和免疫治疗策略具有重要意义。

中国人民解放军总医院第一医学中心与安徽医科大学第一附属医院的研究团队联合开展了这项跨学科研究。通过整合多组学数据和创新实验技术，系统揭示了GDF亚家族在泛癌中的分子特征，特别阐明了GDF15通过重塑HCC免疫微环境促进肿瘤进展的机制，相关成果发表在《Cell》杂志。

研究主要采用以下关键技术：基于TCGA数据库的泛癌生物信息学分析；整合4个HCC单细胞数据集(GSE166635等)的异质性解析；空间转录组技术定位GDF15表达与免疫细胞的空间关系；功能实验包括MTT法、Transwell实验验证GDF15对HCC细胞表型的影响；建立AAV8介导的GDF15过表达小鼠模型；流式细胞术分析巨噬细胞极化状态。

GDF亚家族基因表达分析
研究首次绘制了GDF亚家族在33种癌症中的表达图谱，发现GDF15在子宫内膜癌(UCEC)、甲状腺癌(THCA)等13种肿瘤中显著高表达。单细胞解析显示GDF1在胶质瘤恶性亚群、GDF2在非小细胞肺癌(NSCLC)单核/巨噬细胞亚群特异性表达。空间转录组证实GDF成员主要富集于肿瘤上皮区域。

诊断与预后模型构建
LASSO回归构建的GDF亚家族诊断模型在胆管癌(CHOL)中AUC达1.0。预后模型包含GDF9/GDF15等8个基因，高风险组患者5年生存率显著降低(HR=2.34)。Nomogram整合临床参数后预测性能更优(C-index=0.81)，其中GDF15高表达与HCC患者不良预后显著相关(OS: p<0.001)。

表观遗传调控机制
DNA甲基化分析显示GDF15启动子区cg08301551等位点低甲基化与其表达呈负相关(r=-0.62)。DNMT3A(DNA甲基转移酶3A)在GDF15高表达组显著上调，提示表观调控参与GDF15异常表达。

单细胞生态系统解析
整合90,444个单细胞数据揭示HCC中存在11个细胞亚群。拟时序分析显示GDF15⁺肝细胞处于分化早期，高表达肿瘤干细胞标志(EPCAM/KRT19)。细胞互作分析发现肿瘤组织中GDF15⁺肝细胞与CAFs通过PERIOSTIN-整合素通路形成正反馈环，协同促进致癌转化。

免疫微环境重塑
空间转录组显示GDF15表达与CD8⁺ T细胞浸润呈负相关(r=-0.71)。Bulk数据分析证实GDF15高表达组M1型巨噬细胞减少而M2型增加(p<0.01)。TIDE评分预测GDF15高表达患者对免疫检查点抑制剂(ICIs)响应率降低43%。

功能实验验证
重组GDF15处理使Huh7细胞侵袭能力提升2.1倍，而中和抗体处理则抑制HepG2细胞增殖(MTT: p<0.01)。小鼠模型证实AAV8-GDF15组肿瘤体积增大3.5倍，伴随CD206⁺ M2型巨噬细胞浸润增加。流式检测显示GDF15可诱导骨髓来源巨噬细胞(BMDM)向Arg1⁺ M2型极化(p<0.001)。

药物敏感性分析
分子对接显示GDF11与17-AAG结合能达-7.013 kcal/mol。PRISM数据库筛选出阿西替尼(AZD5363)等10种潜在靶向药物，其中多非利特对GDF15高表达HCC细胞敏感性增加5.8倍。

该研究首次从单细胞和空间维度系统阐释了GDF亚家族在泛癌中的分子特征，创新性发现：GDF15通过双重机制促进HCC进展——一方面通过PERIOSTIN通路与CAFs形成致癌正反馈；另一方面诱导免疫抑制性微环境。这些发现为理解肿瘤生态系统的细胞互作提供了新视角，GDF15作为"双效"靶点的特性，为开发联合靶向肿瘤细胞和免疫微环境的治疗策略奠定了理论基础。研究建立的诊断模型和预后Nomogram具有直接临床转化价值，而筛选出的靶向药物为个体化治疗提供了新选择。未来研究可进一步探索GDF15与其他免疫检查点(如PD-L1)的协同调控机制，以及其在液体活检中的应用潜力。