Immunity | 单细胞图谱揭示脑肿瘤血管与免疫细胞的复杂互作

摘要：胶质母细胞瘤（GBM）是最常见的原发性脑肿瘤，具有高度侵袭性和异质性，患者的平均生存期仅为一年左右，而脑转移瘤（BrMs）则是由其他部位的癌症（如肺癌、乳腺癌和黑色素瘤）扩散到大脑形成的，患者的生存期通常只有5-10个月【1-3】。尽管近年来免疫疗法在其他癌症

撰文 | Qi

胶质母细胞瘤（GBM）是最常见的原发性脑肿瘤，具有高度侵袭性和异质性，患者的平均生存期仅为一年左右，而脑转移瘤（BrMs）则是由其他部位的癌症（如肺癌、乳腺癌和黑色素瘤）扩散到大脑形成的，患者的生存期通常只有5-10个月【1-3】。尽管近年来免疫疗法在其他癌症中取得了显著进展，但脑肿瘤的治疗仍然面临巨大挑战，部分原因是肿瘤微环境（TME）的复杂性和免疫抑制特性。脑肿瘤的血管系统在肿瘤的生长和免疫反应中扮演着关键角色，血脑屏障（BBB）是大脑血管的重要组成部分，由内皮细胞（ECs）、周细胞和平滑肌细胞等构成，这些细胞不仅调节氧气和营养物质的供应，还影响免疫细胞的浸润。然而，脑肿瘤中的血管系统常常发生病理性改变，导致BBB功能障碍，进而影响肿瘤的进展和免疫反应。

近日，来自瑞士洛桑大学的Johanna A. Joyce团队在Immunity杂志上发表了文章Single-cell atlas of endothelial and mural cells across primary and metastatic brain tumors，他们通过单细胞和bulk-RNA测序技术，系统分析了非肿瘤脑组织、IDH突变型低级别胶质瘤、IDH野生型高级别胶质母细胞瘤（GBM）以及脑转移瘤（BrMs）中的内皮细胞和壁细胞（包含周细胞和平滑肌细胞）。研究发现，GBM和BrMs在血管结构和功能上表现出显著的病理性改变，尤其是血管通透性和免疫细胞浸润的差异。相比之下，低级别胶质瘤的血管系统与非肿瘤脑组织更为相似。此外，研究还揭示了GBM和BrMs在免疫细胞相互作用方面的不同，为开发针对血管和免疫系统的联合疗法提供了新的思路。

该团队收集了来自19名患者的脑肿瘤样本，包括IDH突变型胶质瘤（7例）和IDH野生型GBM（12例）。所有样本在手术切除后立即进行处理，通过荧光激活细胞分选（FACS）技术分离出内皮细胞（CD31+）和壁细胞（PDGFRβ+）后进行bulk-RNA测序，将这些数据与之前发表的脑转移瘤和非肿瘤脑组织的血管数据集进行整合，形成一个包含40个样本的综合数据集。通过主成分分析（PCA），他们发现IDH突变型胶质瘤的内皮细胞与非肿瘤脑组织的内皮细胞高度相似，而IDH野生型GBM的内皮细胞则与脑转移瘤的内皮细胞更为接近。差异表达分析显示，GBM和BrMs的内皮细胞中有大量基因表达上调或下调，涉及细胞外基质（ECM）重塑、血管生成和免疫细胞迁移等通路。与内皮细胞类似，壁细胞的分析也显示IDH突变型胶质瘤的壁细胞与非肿瘤脑组织的壁细胞高度相似，而GBM和BrMs的壁细胞则表现出显著的转录组改变。

接下来，该团队通过计算BBB功能障碍模块评分，发现GBM和BrMs的内皮细胞和壁细胞表现出显著的BBB功能障碍，而IDH突变型胶质瘤的BBB功能相对正常。免疫荧光成像分析显示，GBM和BrMs的血管尺寸显著增大，且血管通透性增加，尤其是在BrMs中更为明显。为了进一步研究脑肿瘤中内皮细胞和壁细胞的多样性，他们对4名患者的肿瘤样本进行了sc-RNA测序，发现GBM和BrMs中内皮细胞和壁细胞的不同亚型，其中，GBM中毛细血管内皮细胞占主导地位，而BrMs中血管生成内皮细胞和干扰素反应内皮细胞更为丰富。通过CellChat分析，他们还发现GBM和BrMs中的内皮细胞与壁细胞之间的通讯显著增强，尤其是在涉及ECM重塑和血管生成的通路中。相比之下，非肿瘤脑组织和IDH突变型胶质瘤中的细胞间通讯较弱。

综上，这项工作通过单细胞和bulk-RNA测序技术，全面揭示了GBM和BrMs在血管系统和免疫细胞浸润方面的显著差异，未来的研究可以进一步探索不同肿瘤类型中血管和免疫细胞的相互作用，并结合空间转录组学和循环免疫荧光分析，以更全面地理解脑肿瘤微环境中的细胞间通讯。

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