空间转录组学揭示髓母细胞瘤的靶向治疗响应和耐药机理
学术经纬约 9 分钟撰文 | 唐清 责编 | 周叶斌
近日，由 Laura A. Genovesi 团队发表于 Genome Medicine 题为 Spatial transcriptomic analysis of Sonic hedgehog medulloblastoma identifies that the loss of heterogeneity and promotion of differentiation underlies the response to CDK4/6 inhibition 的文章，通过使用空间转录组学来表征肿瘤对靶向治疗的反应的能力，并为Sonic Hedgehog型（SHH）髓母细胞瘤（MB）对CDK4 / 6抑制剂的反应和耐药性提供了进一步的分子和细胞基础见解。
研究人员也将目光放到palbociclib（IBRANCE）之上，后者是一种选择性CDK4/6抑制剂。此前，实验已证明palbociclib治疗对携带Med-1712FH（SHH）MB患者来源的原位异种移植物（PDOX）小鼠模型具有非常显着的生存优势，可80%的肿瘤在停止治疗后复发。使用MB的SHH PDOX模型，研究者优化了ST-seq方法来定义细胞的转录状态及其在TME中的空间位置，并将未治疗的肿瘤与接受Palbociclib治疗的肿瘤进行了比较。
首先比较了治疗和未治疗样品之间人类肿瘤切片内的转录异质性水平，总体而言，与对照样品相比，治疗后的样品具有较低的异质性。此外，与未治疗样品之间的相似性（0.02）相比，治疗样品之间的相似性（0.04）增加。总体而言表明药物治疗降低了肿瘤的细胞异质性。
聚类分析揭示了palbociclib处理的样本和对照样本之间肿瘤异质性的差异。该图通过a)聚类分辨率；b) 根据a中使用的每个聚类分辨率估计的每个样本的香农熵;c) 辛普森指数来证明palbociclib处理的PDOX的异质性较低。
为了确定CDK4 / 6抑制对SHH MB转录组的影响，研究者比较了palbociclib处理的Med-1712FH和对照未治疗的PDOX在三个空间定义的区域，人，小鼠和混合人小鼠界面。比较了>13，000个可靠检测基因的表达水平。在大部分肿瘤中，在Palbociclib处理和对照PDOX之间共鉴定出1200个差异表达（DE）人类基因和139 个DE小鼠基因。Palbociclib下调基因在分子特征数据库（mSigDb）标志和生物过程基因本体（GO）中具有统计学富集，他们与细胞周期途径，有丝分裂（例如有丝分裂纺锤体组织，有丝分裂核分裂的调节，有丝分裂细胞周期和有丝分裂核分裂的调节）和微管相关 组织（例如微管组织中心组织，微管细胞骨架组织）。上调基因的关键词包括神经发生（例如神经元分化，神经发生和神经元发育的调节），细胞 - 细胞信号传导和离子转运。这些结果髓母细胞瘤以空间依赖性方式下调细胞周期并上调神经元分化相关基因，以响应palbociclib治疗。
髓母细胞瘤以空间依赖性方式下调细胞周期并上调神经元分化相关基因，以响应palbociclib治疗。a 火山图来自对治疗样品和对照样品之间差异表达（DE）基因的分析，比较了三类，包括人类、混合和小鼠。b 人类DE基因的基因集富集分析结果的网络可视化显示神经元分化上调和细胞周期下调。
前面的DE分析表明，肿瘤 - 微环境界面区域会有不同的生物过程同时运行，因此尽管palbociclib在治疗，但肿瘤细胞仍在继续增殖。为了进一步表征对palbociclib治疗观察到的空间反应，研究人员使用了SHH MB患者样本的单细胞测序结果scRNA-seq产生的转录特征：细胞周期活性/增殖（SHH-A）、未分化祖细胞（SHH-B）和神经元样程序（SHH-C）。在药物治疗的PDOX中观察到未分化的祖细胞SHH-B特征在较低水平上，在整个肿瘤病灶中仍观察到SHH-B的高表达，表明在药物治疗的肿瘤中保留了一定的未分化祖细胞。相比之下，与未治疗的PDOX相比，神经元样SHH-C转录程序在palbociclib治疗的肿瘤中表达更高。在整个处理样品的大“岛”中观察到SHH-C特征的高表达，与神经元分化途径的空间富集模式一致。只有15/100个SHH-C基因与神经元分化途径重叠，再次表明几乎完全独立的验证。
总之，空间基因集活性分析证实了DE分析的结果，其中palbociclib治疗增加了与神经元分化相关的基因的表达，并减少了大部分PDOX中的细胞增殖，而界面区域的药物影响很小。
接下来，研究者试图确定哪些细胞类型存在于微环境中，这些细胞类型可能影响肿瘤细胞对palbociclib的反应。结果观察到星形胶质细胞/伯格曼胶质细胞在肿瘤侵袭区的富集，在很大程度上与界面区域重叠（图）。星形胶质细胞/伯格曼胶质细胞标记物Gfap。最后，研究试图通过使用Gfap和Ki67的免疫荧光来标记增殖细胞，未经处理和药物治疗的PDOX的免疫荧光在整个小鼠脑组织中显示出强烈的Gfap表达（图）。确认整个组织中存在星形胶质细胞/伯格曼胶质细胞。未经治疗的肿瘤几乎完全由增殖细胞组成;然而，在药物治疗的肿瘤中观察到增殖细胞明显减少，增殖细胞与小鼠大脑周围的Gfap阳性高度相关。这意味着通过多种独立的方法证实了定位于界面区域的小鼠星形胶质细胞和神经胶质细胞的富集，这表明它们可能在该区域对Palbociclib治疗的不同反应中的作用。
鉴定与药物治疗的肿瘤微环境界面中持续肿瘤细胞增殖相关的多边网络。a 拟议的假设促进了界面处肿瘤细胞的持续增殖，这是增殖性肿瘤GNP与小胶质细胞和星形胶质细胞等宿主细胞类型相互作用的结果。b 药物治疗肿瘤的DAPI和H&E图像概述，palbociclib G. c 使用RNAscope在单细胞水平上代表性靶向RNA分子表达，用于细胞类型的基因标记以及提出的假设的相关配体和受体：小胶质细胞（Cd68，Aif1，Igf1，Il4r），星形胶质细胞（S100b，Gfap，Il4）和增殖肿瘤细胞（MKI67）内的肿瘤微环境界面和D肿瘤体积。
总之，该研究将肿瘤内以及周围的小脑组织区分肿瘤和非肿瘤细胞，进一步完善病理注释。确定了对palbociclib的区域反应，在两种治疗的肿瘤中，增殖减少并诱导神经元分化。此外，研究者以细胞分辨率解析了一个独特的肿瘤界面，其中肿瘤接触由丰富的星形胶质细胞和小胶质细胞组成的相邻小鼠脑组织，并且尽管进行了palbociclib治疗，但仍继续增殖。
该文章也是SHH MB的PDOX模型的第一个空间分辨基因表达图谱，并在方法原理上为使用ST-seq鉴定MB空间组织肿瘤异质性提供了证明。这些数据提供了对SHH MB肿瘤内异质性的进一步见解，并强调了在评估任何治疗的有效性时考虑细胞类型的分子和空间背景的重要性。研究结果对MB中CDK4 / 6抑制剂的疗效和耐药机制具有重要意义，而且可以更广泛地用于神经肿瘤学任何治疗方法的临床前和临床评估。具有更高的单细胞分辨率的ST-seq平台的出现，再结合多OMIC方法和几种PDOX MB模型的时间分析，将使人们更好地了解肿瘤对治疗的反应。
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*本文由深圳市拾玉儿童公益基金会“儿童肿瘤前沿”团队编译或约稿，文中图表均源引自文献原文。本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。如需转载，请留言或联系[email protected]。本文旨在分享儿童肿瘤科研前沿成果，不是治疗方案推荐。如需获得疾病治疗方案指导，请前往正规医院就诊。
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原文摘要（Abstract）
Background
Methods
Results
Conclusions
DOI: 10.1186/s13073-023-01185-4