今天小编给大家介绍一篇3月底刚刚发表在advanced science(IF:17.521)上的文章。作者从单细胞角度切入,发现了影响脑膜瘤发展的关键细胞亚群——SULT1E1+亚群。在高级别脑膜瘤中SULT1E1+亚群可能直接有助于免疫抑制环境的形成。作者开发了一种类器官模型MO,它保留了亲代肿瘤的瘤内异质性,根据对MO模型的研究,作者提出了一种有效抑制SULT1E1+亚群的潜在治疗策略。SRT1720可以作为全身治疗或放射增敏剂来抑制肿瘤生长。接下来,小编就为大家详细解读一下文章内容吧。
脑膜瘤是世界范围内最常见的颅内原发肿瘤,占中枢神经系统肿瘤的38.3%。≈80%的脑膜瘤起源于脑膜的蛛网膜帽细胞(蛛网膜中的一种上皮细胞),80%的脑膜瘤被归类为良性(I级),手术切除是这些患者唯一必要的治疗方法。然而,对于高级别脑膜瘤(II级和III级),复发率和死亡率仍然很高。II级和III级脑膜瘤的10年无进展生存率分别为22.6%和0%。因此,确定未来改善这类患者治疗所需的有效分子靶点是至关重要的。
对NF2、AKT1、TRAF7、SMO和PIK3CA等基因的识别有助于深入了解脑膜瘤发生的分子机制。然而,对导致II级和III级脑膜瘤恶性的关键因素缺乏了解,阻碍了有效药物的开发。尽管TERT启动子突变和CDKN2A/B纯合子缺失与脑膜瘤的高侵袭性和早期复发有关,但只有少数恶性脑膜瘤患者存在这些基因组变化。因此,阐明高级别脑膜瘤与良性脑膜瘤的区别是至关重要的。
肿瘤内的异质性在侵袭性恶性肿瘤的发生、演变和发展中起着重要作用。然而,肿瘤内异质性还没有从细胞的角度进行说明。在这项研究中,作者对脑膜瘤样本进行了scRNA-seq分析,并鉴定了脑膜瘤肿瘤细胞的独特亚群。而这一亚群是控制高级别脑膜瘤侵袭性的关键因素。接下来,我们开发了一种新的患者来源的脑膜瘤器质性(MO)模型,在该模型中,我们能够复制脑膜瘤的异质性。这一里程碑使我们能够研究这一独特的细胞亚群,目的是开发有效的治疗方法。这些结果为高级别脑膜瘤的驱动因素和潜在的治疗靶点提供了新的见解。
为探讨I级和II/III级脑膜瘤的细胞群和分子特征的差异,从2例I级和1例II级脑膜瘤原发肿瘤标本中分离出25617个细胞。确定了8个细胞群,包括肿瘤浸润性B细胞、树突状细胞、巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞、NK细胞、T细胞和恶性细胞,并确定在每个细胞团中唯一表达的基因(图1B-C)。II级脑膜瘤中的巨噬细胞数量和比例都高于I级脑膜瘤,并且M2表型相关基因MRC1和CD163在II级脑膜瘤中的表达明显升高(图1D-E)。此外,与I级相比,II级脑膜瘤样本的M1评分显著低于I级,而M2评分显著高于I级(图1F)。免疫荧光染色显示,II/III级脑膜瘤中CD206+/CD68+细胞比率增加(CD206是M2巨噬细胞标志物;CD68是单核/巨噬细胞标志物)(图1G),证实巨噬细胞呈M2样极化。综上所述,这些结果证实了M2样极化巨噬细胞是高级别脑膜瘤的主要成分,这与先前的研究结果一致。
由于M2样巨噬细胞极化与肿瘤的发生广泛相关,作者接下来试图确定脑膜瘤细胞亚群(MC)对M2样极化的贡献。总共确定了六个MC亚群(图2A,B)。其中MC SULT1E1+亚群仅在II级脑膜瘤样本中发现(图2C)。伪时序分析结果显示,在II级脑膜瘤中,许多肿瘤细胞位于轨迹的起点(图2D)。MC SULT1E1+亚群主要分布在轨迹开始处,显示出与其他亚群不同的分化状态(图2E)。在伪时间尺度上,MC SULT1E1+的特征基因在开始时高表达,然后逐渐下降(图2G-H)。
MC SULT1E1+亚群中的许多marker基因在II/III级脑膜瘤样本中高度表达(图3A)。免疫组织化学染色显示,在II/III级和复发性脑膜瘤(图3B-C)中,MC SULT1E1+细胞数明显高于I级和原发脑膜瘤。接下来,作者使用CellChat进行了细胞-细胞相互作用组分析,以更好地表征MC SULT1E1+亚群与其他细胞类型(尤其是巨噬细胞)相互作用。MC SULT1E1+亚群在细胞-细胞相互作用中非常活跃(图3D),在许多癌症相关信号通路中与其他MC亚群表现出强烈的细胞-细胞通讯(图3E),这表明MC SULT1E1+通过调节其他肿瘤细胞而作为肿瘤行为的核心调节剂。MC SULT1E1+在CSF信号通路中发挥源细胞作用,调节巨噬细胞、单核细胞和树突状细胞的功能(图3F)。作为关键的下游效应细胞,巨噬细胞和单核细胞也表现出表皮生长因子(EGF)来源细胞的特性,并且抵抗信号传导,与脑膜瘤或免疫细胞相互作用。MC SULT1E1+与巨噬细胞和单核细胞之间的强相互作用提示这个独特的亚群可能参与了m2样极化和肿瘤的发展。
作者开发了一种新的患者来源的脑膜瘤类器官 (MO)模型来进一步表征MC SULT1E1+亚群。将肿瘤切成小块,平均直径1~2 mm。在定制化培养条件下,肿瘤块一般在1周内形成圆形MO(图4A)。由于这一策略避免了肿瘤的机械和酶解离,大多数细胞类型和细胞间的相互作用都得到了很好的保存。此外,肿瘤标本保存时间短,质量好,有利于MOs的产生。作者从21个肿瘤样本中开发了16个MO。
每个MO和相应的肿瘤标本在组织学特征上相似(图4B)。并保留了与母细胞脑膜瘤不同亚型(脑膜上皮型、纤维型、血管瘤型、微囊型和非典型型)相同的组织病理学特征。为了进一步确定细胞特性和肿瘤微环境,对几种细胞marker进行了免疫染色分析。MOs中有脑膜瘤细胞(SSTR2a+)和血管系统(CD31+,也有母系肿瘤中的免疫细胞,如巨噬细胞(CD68+)和T细胞(CD3+)(图4D)。对四种MOS及其相应的亲代肿瘤进行了全外显子组测序。结果表明,MOs保持了亲本肿瘤基因组的改变,包括NF2、SMO和SMARCB1的突变(图4E)。值得注意的是,在NF2突变和野生型肿瘤样本中成功地建立了MO模型,表明该方案适用于具有不同遗传背景的脑膜瘤。
该方案的一个主要优点是它避免了常规2D原代细胞培养的潜在克隆选择。免疫组织化学染色证实,II级MOs保留了相应亲代肿瘤的MC SULT1E1+亚群(图4F)。此外,用SULT1E1抑制剂三氯生处理后,SULT1E1+MOs中EDU+细胞的数量显著减少,但并未显著降低SULT1E1的表达水平(图4G)。由于细胞的异质性,某些MO可能富含SULT1E1+亚群细胞。同时,部分MOs不含SULT1E1+亚群细胞。
为了进一步探讨MO在体内的生物学行为,作者进行了SULT1+和SULT1E1−MOs的硬膜外移植。将MOs移植到免疫缺陷小鼠的头骨和脑膜之间的间隙中,而不破坏脑膜或脑组织(图5A)。移植后2个月进行核磁共振扫描。结果显示,移植SULT1E1−MOs小鼠的MOs与脑之间轮廓清晰,但移植SULT1E1+MOs小鼠的脑组织形态异常(图5B)。移植SULT1E1+MOs的异种移植物在蛛网膜下腔可见H&E染色,并显示异常的脑-类器官边界(图5C)。用抗CD44抗体的免疫组织化学方法证实了SULT1E1+MOs对脑的侵袭(图5D)。脑膜瘤细胞包围的大脑皮层和残留皮质组织破坏,进一步证实SULT1E1+MOs的脑侵袭。免疫组织化学染色还显示MC SULT1E1+亚群在所有脑侵袭性MOs中均有保留(图5E-F)。因此,移植后含有MC SULT1E1+亚群的MOs具有脑侵袭能力,这是一种与高级别脑膜瘤相同的独特生物学行为。
接着作者通过抑制MC SULT1E1+亚群来研究潜在的治疗策略。为此,一组305种表观遗传化合物在SULT1E1+高级别脑膜瘤样本的四个原代MC系上以10μm的浓度进行了测试。阳性命中定义为DMSO对照组的细胞存活率<10%(图6A)。按总命中率排名前三位的化合物是SRT1720、PS341和UNC0631(图6B)。SRT1720是SIRT1的特异性合成激活剂,PS341(bortezomib)是针对26S蛋白酶体的选择性蛋白酶体抑制物,UC0631是组蛋白甲基转移酶G9a的有效抑制物。
作者在三个MO来源的脑膜瘤原代细胞系中进一步证实了抑制作用(图6C)。用这三种化合物处理大小相似的SULT1E1+MOs,其对原代脑膜瘤细胞系(PMC)显著抑制。而且来自同一患者的MOs的反应也是不同的,这表明MOs代表了原始脑膜瘤的化疗耐药和异质性。SRT1720对SULT1E1+MOs的抑制作用与对2D细胞的抑制作用相似(图6D)。免疫组织化学染色证实,SRT1720治疗后SULT1E1+MOs中SULT1E1的表达显著下调(图6E)。此外,2.5μm的SRT1720与放射联合治疗可显著抑制SULT1E1+MOs的细胞增殖(图6F)。这些数据表明,SRT1720能够有效地抑制高级别脑膜瘤的MC SULT1E1+亚群,因此具有潜在的治疗和辐射增敏价值。
这篇文章中,作者首先从单细胞的角度切入,验证了M2巨噬细胞促进脑膜瘤的发展和侵袭性,这也表明高级别脑膜瘤中存在免疫抑制微环境。在单细胞研究过程中作者发现了高级别脑膜瘤中存在的一个细胞亚群MC SULT1E1+,并发现MC SULT1E1+亚群通过调节其他肿瘤细胞和免疫细胞的功能来推动恶性肿瘤的发生。由于SULT1E1+亚群与巨噬细胞间通过CSF1-CSF1R信号有很强的相互作用,因此高级别脑膜瘤中SULT1E1+亚群可能直接有助于免疫抑制环境的形成。
接下来,作者开发了一种类器官模型(MO),它的优势是避免了将肿瘤样本消化成单个细胞的过程,从而确保了MO模型中大多数细胞类型的保存。MOs具有复杂的细胞组成,包括肿瘤细胞、血管内皮细胞、肿瘤浸润性巨噬细胞和T淋巴细胞,所有这些都与亲本肿瘤相似。MOs可能成为研究脑膜瘤肿瘤微环境的有力工具。最重要的是,MOs保留了相应亲代肿瘤的SULT1E1+亚群。
作者提出了一种有效抑制SULT1E1+亚群的潜在治疗策略。SRT1720可以作为全身治疗或放射增敏剂来抑制肿瘤生长。SRT1720通过SIRT1/HIF轴抑制器官和小鼠模型中的膀胱癌生长。