脑转移瘤（BrM）是最常见的脑癌形式，其特征是神经功能障碍和预后极差，但是目前为止科研领域以及医学领域内对人 BrM 形成的生物机制理解尚浅。美国加州大学 Jeroen P. Roose、Hugo Gonzalez 研究人员采用CyTOF、scRNA-seq，并辅以小鼠模型和计算机方法，对来自15个不同患者 BrM 的超过10万个恶性和非恶性细胞进行了综合分析，揭示了人 BrM 的细胞结构，对BrM 血液-肿瘤界面的进行了定义，并发现了富含浸润 T 细胞和巨噬细胞的基质免疫抑制状态。研究成果“Cellular architecture of human brain metastases”发表在期刊《cell》（IF=41.58）。
研究思路
不同癌症类型的脑转移显示出相似的转移生态位
研究人员入组了黑色素瘤（n=3）、乳腺癌（n=3）、肺癌（n=3）、卵巢癌（n=2）、结直肠癌（n=1）、肾细胞癌（n=1）、未知原发癌（n=1）、成人横纹肌肉瘤（n=1）伴发大脑皮层转移的15名患者，联用 CyTOF 与 scRNA-seq，全面分析了不同癌症的BrM 间质中免疫组特征与单细胞转录组。
不同病例间BrM 细胞独立聚类成簇且没有重叠，说明不同患者体内的脑转移肿瘤细胞（MTCs ）具有高度的异质性；非恶性细胞主要由血管细胞、炎性免疫细胞和间充质祖细胞构成，非恶性细胞的无偏聚类（STAR方法）揭示了 BrM 生态位的结构。值得注意的是，研究人员对间质成分的分析表明，人类大脑转移的生态位环境在多个患者和癌症类型中是相似的，但在免疫成分水平上显示出较大差异。
人脑转移瘤的细胞普查
BrM浸润性免疫细胞特征
通过量化单个免疫细胞的 30+ 蛋白参数和转录本数据，研究人员确定了 5 个主要的T 细胞簇、两个巨噬细胞簇、一个 DC 簇和两个 B 细胞簇构成了BrM 的主要免疫成分。总体而言，BrM 的免疫环境是由T细胞和巨噬细胞主导的惰性微环境，但不同来源的肿瘤存在特征性差异：乳腺癌患者的BrM 中存在大量巨噬细胞，而肺癌患者中 T 细胞频率更高，黑色素瘤和卵巢癌中则是 B 细胞。其中，T细胞在BrM 免疫浸润中表现出最大程度的表型异质性，并且从激活到失活的表型转变与代谢信号从三羧酸循环（TCA）向脂质代谢的转变过程相吻合，证实了功能性T细胞状态与代谢和微环境重新编程相关，TCA 代谢障碍会导致效应T细胞功能缺陷。研究人员还发现，免疫检查点分子在BrM 中表现出协同表达模式，PD-1+T 细胞和 PD-L1+髓系细胞之间存在着显著的相关性。
CyTOF分析 BrM 相关免疫浸润细胞
MTCs 中的八个功能性元程序定义脑转移
BrM 内的多数转移性肿瘤细胞（MTCs）往往具有遗传同质性，并由此鉴定出包含八类基因功能集合的BrM 特征性基因分子图谱。其中，DNA 复制基因集（MCM7、FEN1 和 RFC4 等）与 G2/M 期基因集（BIRC5、CDK1 和 AURKB 等）在不同来源转移瘤中高度相似，定义了 BrMs 中保守的增殖程序；此外，炎症和干扰素相关基因集在所有BrM 中均存在，表明免疫炎症表型和肿瘤增殖在脑基质细胞中存在相关性。值得注意的是，这八类基因集的表达模式在原发灶与脑转移灶中存在较大差异，尤其是细胞外基质沉积/间充质转化基因集，该基因集在原发灶中表达极为罕见。
转移细胞获得两个明确定义的功能原型
MTCs 中的免疫逃避程序支持肿瘤细胞增殖
BrM 细胞增殖与免疫浸润反应呈负相关，并解析出一个包含 190 个基因的核心分子标签，指导脑中循环肿瘤细胞从休眠向活跃增殖状态转变。其中 89 个下调基因主要涉及炎症及应激相关反应，而 101 个上调基因包括核心剪接体成员和 MYC 靶标。特别地，上调基因中还包括与癌细胞的免疫逃避有关的DNA甲基转移酶DNMT1，此外，还发现了两个已知的与多种癌症类型的预后不良有关印记基因 MEST 和PEG10 的高度富集。
转移性细胞从静止到增殖转变的重建
文章总结
研究人员通过 CyTOF、scRNA-seq 以及小鼠模型等方法主要揭示了 BrM 生态位的组成，对 BrM 血液-肿瘤界面的进行了定义，并发现了富含浸润 T 细胞和巨噬细胞的基质免疫抑制状态。总的来说，这些程序描绘了两种功能性 BrM 原型，一种是增殖性，另一种是炎症性，它们明显是由肿瘤-免疫相互作用形成。该研究提供的数据为理解具有肿瘤细胞内在和宿主环境特征患者 BrM 的分子机制提供了基础，为了解脑转移肿瘤的成因以及药物、治疗手段的开发提供了新的资源库。
【参考文献】Gonzalez H, Mei W, Robles I, et al. Cellular architecture of human brain metastases. Cell. 2022
【原文链接】https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35063085/
网友评论