Cell封面：單細胞測序揭示膠質母細胞瘤的「變形計」

多形性膠質母細胞瘤(Glioblastoma multiforme ，GBM)是星形細胞腫瘤中惡性程度最高的膠質瘤，目前我們還未找到有效的治癒手段。通常患者在確診斷後兩年的時間內便會與死亡相逢。這種疾病之所以難以治療，很大程度上是因為腫瘤中含有多種不同的細胞，並且其侵襲性在患者之間也存在很大差異。

為什麼膠質母細胞瘤如此難以治療？為什麼傳統療法對其不起作用？它還是一個單一性的疾病嗎？這些問題不僅深深的困惑著科學家們，還讓臨床醫師對著患者無能為力。

刊登在最新一期《Cell》雜誌封面上的一項研究或將給出答案。由馬薩諸塞州綜合醫院（MGH）和Broad研究所的Cyril Neftel博士所領導的實驗結果表明：通過單細胞測序的方法了解膠質母細胞的四種亞型之間可以隨意切換，也正是如此才導致癌細胞難以用藥物殺死。這一發現將有助於開發更好的膠質母細胞瘤治療方法。

DOI：https ：//doi.org/10.1016/j.cell.2019.06.024

確定：腫瘤的四種亞型

2010年，美國傑克遜基因組醫學實驗室的Roel Verhaak教授在《Cancer Cell》雜誌上發表了一篇里程碑式的論文，首次基於患者腫瘤的分子標準將膠質母細胞瘤分為四種亞型：神經祖細胞，少突膠質細胞祖細胞，星形膠質細胞和間充質細胞，這為研究膠質母細胞瘤提供了全新的視角。

DOI:https://doi.org/10.1016/j.ccr.2010.03.017

之後的研究進一步表明，每一種亞型不僅擁有自己獨特的基因表達，而且膠質母細胞瘤的組成也總是由一個以上的亞型組成，並且其中組合亞型的比例也可能隨著時間和治療不斷發生變化。

這些研究對膠質母細胞瘤的研究繪製了一個大致的框架，但由於這些研究都著眼於大量來自腫瘤細胞中被組合和測序的遺傳物質樣本，仍然沒有提供更詳細的細節作為臨床醫學參考。

測定：四種亞型的基因表達

因此，為了更好地了解腫瘤細胞中這四種亞型的比例變化與膠質母細胞瘤狀態的關係，研究人員決定使用單細胞RNA測序技術來揭示個體細胞的基因表達。

Broad"s Epigenomics Program的研究所成員，是MGH病理學系的分子病理學家Suvà表示到：「這是迄今為止最大的膠質母細胞瘤單細胞測序研究。我們將個體細胞狀態及其相關的遺傳改變置於其發育背景中，試圖了解哪些細胞類型正在驅動疾病。」

研究人員挑選了20個成人和8個兒童的膠質母細胞瘤患者的共24,131個腫瘤細胞來進行的測序，並在癌症基因組圖譜（TCGA）的背景下對401個膠質母細胞瘤細胞描繪了啟動子DNA甲基化改變。

四種膠質母細胞瘤細胞狀態：從左下方順時針方向：星形膠質細胞樣細胞，少突膠質細胞樣祖細胞樣細胞，神經祖細胞樣細胞和間充質樣細胞。較亮/較暗的色調錶示每個狀態的強度，中間顯示中間狀態。顯示間充質樣細胞與巨噬細胞相互作用，表明它們與免疫系統「對話」。圖片來源：Leslie Gaffney，Regev實驗室/哈佛大學和麻省理工學院

研究人員發現，與先前描述的四種膠質母細胞瘤亞型相關，細胞中存在四種不同的基因表達程序，代表了四種不同的細胞狀態：神經祖細胞樣，少突膠質細胞樣祖細胞樣，類星體細胞樣和間充質樣。儘管表達這四種狀態的細胞在某種程度上都與正常的腦細胞類型相似，但其實質具有使細胞癌變的重要差異。

究竟是什麼原因導致這些細胞發生癌變呢？在進一步的研究中，研究人員們從遺傳基因、腫瘤微環境入手，尋找在特定細胞狀態下能夠導致細胞癌變的相關的基因。他們發現，CDK4、EGFR和 PDGFRA基因座以及NF1基因座中的突變是膠質母細胞瘤的常見遺傳驅動因素，對腫瘤細胞的狀態表達以及決定多少細胞處於這種狀態具有關鍵作用，而在間充質樣狀態的表達上，腫瘤微環境也發揮重要作用。

突破：四種狀態隨意切換

研究人員們觀察發現，雖然大多數細胞都明確自己是四個亞型中的一個，但仍有約15％的細胞同時表達了兩個亞型的細胞狀態。為了測試這一觀察結果，研究人員給小鼠注射僅表達一種來源與人體的膠質母細胞瘤細胞，來觀察小鼠體內腫瘤狀態的變化。

研究人員從含有四種細胞狀態的膠質母細胞瘤中提取出單一的星形膠質細胞樣細胞，注入到小鼠體內，而隨著時間進展，腫瘤逐漸長大，觀察發現此時小鼠體內的腫瘤細胞不僅僅含有星形膠質細胞樣狀態，還存在其他三種細胞狀態，且比例與提取前細胞的比例大致相同。這也就表明膠質母細胞瘤細胞可以從一種狀態轉變為任何一種狀態。

之後在使用基因測序來跟蹤個體細胞如何在小鼠膠質母細胞瘤模型和攜帶人膠質母細胞瘤細胞的小鼠中發展和變化後，該團隊得出了相同的結論。

Mariella G. Filbin 圖片來源：波士頓兒童醫院

Mariella G. Filbin博士表示：腫瘤可以十分容易地隨意成為其他東西來逃避我們的藥物治療，這也可以解釋為什麼在膠質母細胞瘤的治療上單靶藥物會失敗！

聯合治療：未來治療方向

MarioL.Suvà（中間） 圖片來源：馬薩諸塞州綜合醫院癌症研究中心

Suvà博士對這些研究結果同樣評價到：如果您了解這是一種多種狀態驅動它的疾病，每種疾病都有相應的癌症基因，您就會更清楚為什麼到目前為止一次針對一種基因失敗，這些發現提供了為什麼現有的癌症治療無法阻止膠質母細胞瘤生長的線索。

研究人員們目前正在研發同時針對所有四種腫瘤狀態的聯合療法。Filbin博士及其同事正在計劃嘗試使用基因編輯的方法和藥物組合的方法來改變細胞狀態。他們希望這些藥物可以阻斷讓腫瘤細胞處於不成熟狀態的分子通路，或者將DNA包裝成染色質，從而確定RNA的轉錄。

Filbin博士表示：「將新技術應用於這些惡性腫瘤，讓我們有機會從幾年前難以想像的全新水平了解它們的驅動力。現在是時候採取這些研究結果並將它們轉化為新療法了。」

End

[1] An Integrative Model of Cellular States, Plasticity, and Genetics for Glioblastoma

[2] Single-cell sequencing reveals glioblastoma』s shape-shifting nature

[3] Study hints at why an aggressive form of brain cancer is hard to treat

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