空间同型细胞聚集抑制胶质母细胞瘤细胞可塑性的机制研究

为解决肿瘤异质性和细胞可塑性导致的治疗抵抗问题，研究人员利用单细胞分辨率空间转录组学技术对16例IDH野生型胶质母细胞瘤（GBM）的280万个细胞进行分析，发现同型聚集的肿瘤细胞（GPM和PPR状态）通过特定细胞黏附机制维持身份稳定性，而分散细胞则表现出表型可塑性和微环境适应性，其中分散GPM状态与患者不良预后显著相关。该研究揭示了空间组织结构调控肿瘤细胞命运的新机制。

　　

胶质母细胞瘤（Glioblastoma, GBM）作为最具侵袭性的脑肿瘤类型，其治疗失败和早期复发的主要根源在于肿瘤异质性和细胞可塑性。肿瘤细胞能够动态转换不同表型状态，适应治疗压力并产生耐药性，这种可塑性特征虽然在与胚胎发育和组织再生相关的生理过程中已被深入研究，但在癌症中的调控机制仍不明确。传统研究主要关注恶性细胞与非恶性细胞间的异型相互作用，却忽视了恶性细胞自身空间组织结构对细胞身份维持的重要影响。随着单细胞分辨率空间转录组学技术的突破，使得能够在保存组织空间结构的条件下解析细胞间相互作用，为揭示空间组织模式对肿瘤细胞功能的调控作用提供了前所未有的机遇。

本研究利用CosMx平台对16例IDH野生型GBM样本进行单细胞分辨率空间转录组分析，结合10x Visium空间转录组数据和单核RNA测序数据，共分析了超过280万个细胞。研究人员还使用原位小鼠模型（mHP基因工程模型和PDX异种移植模型）以及患者来源的GBM细胞系进行实验验证。

关键技术方法包括：单细胞分辨率空间转录组学（CosMx 1K和6K平台）、空间权重表达域（SWEDs）分析、肿瘤状态邻近评分（TSPS）算法、配体-受体相互作用分析、患者来源细胞系的三维球体培养实验，以及多组学数据整合分析。样本来源包括16例人GBM手术标本、小鼠模型组织和患者来源细胞系。

空间解析GBM细胞状态与微环境

研究人员通过CosMx平台在单细胞分辨率下解析了IDH野生型GBM的空间组织结构。利用DNA拷贝数变异分析区分恶性与非恶性细胞后，通过单样本基因集富集分析（ssGSEA）和标签传播算法将恶性细胞分为四种功能状态：糖酵解/多代谢（GPM）、增殖/祖细胞（PPR）、线粒体（MTC）和神经元分化（NEU）状态。研究发现GPM和PPR是主要的细胞状态，且在空间上呈现出明显的组织模式。

空间模式的功能性细胞状态通过聚集和分散呈现

通过计算肿瘤状态邻近评分（TSPS），研究发现GBM细胞状态在空间上呈现非随机分布。PPR和GPM细胞倾向于形成同型聚集的紧密簇，而MTC和NEU细胞则更倾向于分散分布。这种空间模式在小鼠模型中得到验证，并通过置换分析证实了其统计学显著性。利用IvyGAP图谱的解剖学特征注释，发现聚集的PPR细胞与微血管增殖（MVP）和高细胞密度区域显著相关，而GPM簇则更常见于坏死周围假栅栏状（PAN）区域。

GBM细胞亚群的空间背景影响基因表达和功能

比较聚集和分散细胞的分子特征发现，聚集的GPM细胞在PAN区域表现出强烈的缺氧反应基因表达（HILPDA、VEGFA、GLUL），而非PAN区域的GPM簇则上调活性氧反应和细胞外基质基因。分散的GPM细胞获得了星形胶质细胞生成标志物（GFAP、AQP4等）和神经胶质谱系特征。聚集的PPR细胞表现出更高的细胞周期活性和干性特征，而分散的PPR细胞这些特征减弱。聚集的MTC细胞线粒体相关基因表达升高，而分散的MTC细胞则出现GPM特征基因表达。基因通路分析显示，细胞黏附是所有聚集细胞类型中共同激活的顶级生物过程，而分散细胞则表现出应激反应和凋亡信号的普遍上调。

从核心到脑实质过渡中的NEU GBM细胞表型

NEU细胞在肿瘤外周显著富集，与神经元和星形胶质细胞共存于浸润的脑实质中。从肿瘤核心到脑实质的过渡过程中，PPR细胞比例减少，而NEU细胞增加。位于不同空间的NEU细胞表现出显著分子差异：聚集的NEU细胞维持神经元功能和相关黏附分子表达，而分散的NEU细胞则上调生存和应激反应基因以及迁移程序。浸润到正常脑组织中的NEU细胞偏离了这些表型，转向更偏向祖细胞样状态。

GBM实验模型中的聚集机制和可塑性控制

在GBM小鼠模型中，肿瘤细胞自然发展出聚集和分散的空间模式，重现了人类GBM中的发现。通过配体-受体分析发现，聚集的GPM细胞中CD44介导的胶原蛋白和纤连蛋白信号通路是关键信号，而聚集的PPR细胞中NOTCH通过DLL1/4和JAG1/2配体发挥作用。使用NOTCH抑制剂BMS-906024和CD44阻断抗体进行功能实验表明，抑制这些信号通路特异性地损害了PPR和GPM细胞的同型聚集能力，证实了这些通路在维持细胞簇形成中的关键作用。

同型聚集维持细胞身份是预防肿瘤细胞可塑性的通用机制

研究发现聚集的肿瘤细胞保持了更高的细胞状态特异性标志物活性，而分散细胞则表现出身份特征减弱和替代表型特征的获得。表型一致性分析显示，聚集细胞群具有更高的转录组同质性。状态转移概率计算表明，聚集细胞倾向于保持原有状态，而分散细胞则失去状态稳定性，均等可能地向任何其他状态转变。生存分析显示，只有分散的GPM细胞比例与患者总生存期和无进展生存期缩短显著相关。在乳腺癌循环肿瘤细胞中的分析也证实，细胞簇聚是维持同型身份和抑制状态多样性的通用机制。

GBM TME的空间组织及与GBM细胞亚型的相互作用

分析恶性细胞与免疫和神经胶质细胞亚型之间的全局相互作用发现，GPM细胞簇主要被免疫抑制性骨髓来源的髓系细胞浸润，而PPR细胞簇则与更混合的免疫环境相关，包括 resident 小胶质细胞。比较聚集和分散模式下的肿瘤微环境发现，分散细胞状态与更均匀的免疫微环境相关，且独特地增加了cDC、小胶质细胞和T淋巴细胞的浸润。神经胶质细胞（神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞）在分散恶性细胞附近浸润增加。通过无监督分析，研究人员确定了4种由分散恶性细胞与特定非恶性细胞类型优先相互作用建立的细胞原型，发现靠近血管促进了恶性细胞的血管样状态，与免疫抑制性髓系细胞共存与TAM样和树突状细胞样属性相关，而少突胶质细胞和小胶质细胞样表型则在靠近这些正常细胞类型的GBM细胞中检测到。

CosMx单细胞蛋白表达捕获GBM亚型的空间模式

通过线性编程框架将RNA表达数据中的细胞类型标签转移到相邻切片的蛋白质表达数据中，研究人员在蛋白质水平验证了空间模式。β-连环蛋白（β-catenin）、EGFR和Ki-67几乎 exclusively 由PPR细胞表达，而波形蛋白（vimentin）、TNF通路蛋白（TNFRSF9和GITR）和免疫调节蛋白PD-L2则在GPM细胞中更多表达。蛋白质标记物的空间分布分析证实了转录组水平的发现。

本研究通过多平台空间多组学分析，揭示了GBM细胞状态的空间组织原则，提出了"同型聚集细胞身份"的新概念，解释了空间组织结构如何通过特定黏附机制维持细胞状态稳定性并抑制可塑性。研究发现聚集模式主要由GPM和PPR细胞状态采用，分别依赖CD44和NOTCH信号通路维持；而分散模式则与细胞身份丧失、表型可塑性和适应性特征获得相关。特别重要的是，分散的GPM细胞状态与患者不良预后独特相关，为临床预后提供了新的空间生物标志物。

这些发现不仅揭示了GBM组织架构的基本原则，也提供了对癌症细胞可塑性调控机制的新理解。研究结果表明，预防同型聚集簇的解体可能成为新的抗癌治疗策略，通过维持肿瘤细胞的状态稳定性来限制其适应性和进化潜力。该研究发表于《Cancer Cell》期刊，为空间生物学在癌症研究中的应用提供了重要范例，也为开发针对肿瘤空间组织的治疗策略奠定了理论基础。