Nature | vol 638 | 13 February 2025 | 499-509

本研究以标题“Gliomagenesis mimics an injury response orchestrated by neural crest-like cells”发表于《Nature》杂志，文章主要研究团队包括来自University of Toronto、The Hospital for Sick Children、Cambridge University、Ontario Institute for Cancer Research、Wellcome Sanger Institute等机构的研究者。主要作者包括Akram A. Hamed、Kui Hua、Quang M. Trinh、Benjamin D. Simons、John C. Marioni、Lincoln D. Stein和Peter B. Dirks。文章发表日期为2025年2月13日。

背景与研究目标

Glioblastoma（胶质母细胞瘤，简称GBM）是一种遗传学多样性极高且不可治愈的脑部恶性肿瘤。尽管大量研究集中在此领域，但这些研究多关注晚期肿瘤，而关于肿瘤发生早期阶段的细胞变化及机制尚不清楚。已有研究指出，GBM可能来源于脑中的正常前体细胞（precursor cells, PCs），这些细胞的恶性转化涉及关键突变（如TP53和PTEN基因的缺失）。但由于伦理与临床取样限制，人类肿瘤早期阶段的研究难以进行。

本研究旨在通过使用条件性基因敲除的小鼠模型、单细胞测序技术和多阶段追踪分析的方法，从肿瘤发生的最早阶段开始，系统地揭示GBM肿瘤发生过程中的细胞状态演变及其背后的遗传和分子机制。这将为GBM早期诊断与治疗提供新的方向。

工作流程与研究方法

工作流程

研究分为多个阶段，包括小鼠模型构建、基因编辑与标记、磁共振成像（MRI）追踪肿瘤生长、单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞可及性测序（scATAC-seq）、空间转录组学分析等。研究流程明确描绘了GBM肿瘤在四个阶段的演变过程：①肿瘤前期（preneoplastic）；②早期病灶期（early lesion）；③中期病灶（mid lesion）；④终点期（end-point tumor）。

方法细节

1. 小鼠模型构建：

   • 研究采用Nestin-Cre和Sox2-CreER基因编辑策略选择性激活小鼠脑部细胞中的Cre重组，由此删除两个重要的肿瘤抑制基因TP53和PTEN。
   • 使用R26-tdTomato报告基因，通过荧光标记追踪被改造的肿瘤细胞。

2. MRI追踪与种群分离：

   • MRI用于确认肿瘤发展阶段。采集全个体脑组织样本，将其制备为单细胞悬液后，利用荧光活性细胞分选（FACS）分离标记阳性细胞（tdTomato+）和非标记细胞（tdTomato-）。
   • 样本来自四个MRI定义阶段，每个阶段包括多个生物学重复。

3. 单细胞测序技术：

   • 使用10x Genomics平台的scRNA-seq对分选出的细胞进行单细胞基因表达分析。
   • 使用scATAC-seq分析肿瘤样本的表观遗传信息，探索哪些转录因子网络活跃。

4. 数据分析：

   • 数据整合与聚类分析：应用Seurat、Harmony等算法处理和对比来自不同时间点和模型的细胞种群。
   • 构建克隆层次结构：通过推测拷贝数变化（CNAs）生物信息算法（如InferCNV）重建克隆演变网络。
   • 空间转录组学结合H&E病理图像分析肿瘤区域的细胞空间分布与基因表达特征。

5. 脑损伤模型验证：

   • 构建一个脑损伤模型，通过植入颅内微管和缓释泵向小鼠脑部注射生理盐水，观察正常脑损伤后是否出现与肿瘤相关的细胞状态。

研究主要结果

1. 细胞状态的动态变化：

   • 研究揭示了一类具有“neural crest-like”特征（神经嵴样细胞）的恶性细胞状态，在肿瘤早期尤为丰富（约占肿瘤细胞总数的31%），但在晚期显著减少（仅占约7%）。
   • 这些ncc-like细胞在肿瘤初期表现出缓慢增殖特点，与随后肿瘤中更具侵袭性的前体样细胞形成对比。

2. 演化克隆层级：

   • 推测拷贝数变化（CNAs）分析表明，神经嵴样细胞是克隆演变体系的顶端，并为下游快速增殖的前体细胞群提供起点。
   • 克隆内的细胞状态多样化，同时跨克隆共享相似的恶性特性。

3. 脑损伤的相似性：

   • 损伤实验显示，正常脑组织受损后会激活一类短暂的ncc-like和msc-like（间充质干细胞样）细胞状态。这表明肿瘤初期可能是通过激活类似于伤口愈合的反应而启动恶性转化过程。

4. 信号通路与肿瘤微环境：

   • 单细胞水平的细胞间通讯网络显示，肿瘤中的ncc-like细胞通过激活Spp1-Cd44、Pdgf等信号轴与肿瘤相关的小胶质细胞和前体样细胞发生广泛的信号交换，从而促进肿瘤生长和侵袭。

5. 空间异质性及多克隆特性：

   • 空间转录组分析揭示，神经嵴样细胞和前体样细胞在肿瘤局部区域具有空间上分隔的组织趋势，支持GBM的高度异质性。

研究结论与意义

该研究首次从肿瘤发生初期追踪并描述了GBM从早期阶段到终点期的细胞组成和特性演变，揭示了一种类似神经嵴细胞的恶性细胞状态。这种状态不仅在肿瘤发生中占据重要位置，还可能通过模仿脑损伤响应而出现。

研究明确了GBM的细胞异质性来源和演化轨迹，对理解胶质母细胞瘤的生成机制作出了重要贡献。这些结果或将推动新型肿瘤早期检测方法的开发，并为针对肿瘤起始细胞状态的精准治疗提供依据。

亮点与创新

1. 系统地揭示了GBM发生过程中的遗传和细胞动态。
2. 阐明神经嵴样和间充质样细胞在肿瘤早期的关键作用。
3. 显示恶性肿瘤发展可能模仿正常损伤修复反应，提供了新的理论框架。
4. 首次以空间转录组学验证了多克隆及细胞状态的空间异质性。

这项研究不仅对基础科学理解GBM的生成机制具有重要意义，同时可能应用于新型生物标志物的发现和治疗干预策略的开发，引发了对癌症干细胞起始与微环境相互作用的更深入探讨。