Cancer Cell | 胶质母细胞瘤与巨噬细胞互动促间质样转变

撰文：mumu

IF=26.602

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亮点：

1、巨噬细胞衍生的制瘤素 M (OSM)与其受体（OSMR 或 LIFR）相互作用诱导胶质母细胞瘤细胞MES样状态

2、胶质母细胞瘤内巨噬细胞亚群表达相关的MES样程序，且胶质母细胞瘤MES样状态与细胞毒性T细胞有关

近日，以色列Weizmann科学研究所的Itay Tirosh博士在《Cancer Cell》上发表了一篇名为“Interactions between cancer cells and immune cells drive transitions to mesenchymal-like states in glioblastoma”的文章。本文中，研究人员利用小鼠模型和胶质瘤球模型再现胶质母细胞瘤细胞状态，以证明巨噬细胞在体内和体外诱导MES样胶质母细胞瘤细胞状态。结合功能途径分析配体-受体对，提示胶质母细胞瘤细胞上巨噬细胞源性肿瘤抑制素M（OSM）及其受体（OSMR或LIFR，与GP130复合物）激活STAT3信号以诱导MES样状态。令人惊讶的是，在恶性细胞和巨噬细胞中都发现了类似MES的状态。胶质母细胞瘤MES样状态与肿瘤浸润T细胞的丰度和细胞毒性增加有关。该工作描述了免疫细胞和驱动胶质母细胞瘤的细胞状态之间的功能相互作用。

胶质母细胞瘤，异柠檬酸脱氢酶（IDH）-野生型，是一种普遍致命的脑癌，没有有效的治疗方法。胶质母细胞瘤的肿瘤内异质性可能导致对靶向治疗的耐药性。此外，多项研究证明了转录定义的肿瘤亚型之间的时空异质性，这可能提供了耐受治疗的进一步机制。因此，了解胶质母细胞瘤的细胞多样性和可塑性对于预测治疗中的细胞行为和发现管理这种异质性的关键调节因子至关重要。单细胞RNA测序（scRNA-seq）和先进的计算分析现在可以全面识别肿瘤中受细胞内在和外在因素影响的复发性细胞状态。通过将scRNA序列应用于胶质母细胞瘤患者样本，先前发现胶质母细胞瘤中的多种恶性细胞聚集到一组有限的四种细胞状态：神经祖细胞样（NPC样）、少突胶质细胞祖细胞样（OPC样）、星形胶质细胞样（AC样）和间充质细胞样（MES样），具有潜在的状态可塑性。研究人员还描述了浸润性巨噬细胞和常驻小胶质细胞（统称为巨噬细胞）的表达程序。虽然这些细胞状态为理解肿瘤异质性提供了细胞构建块，但是关于它们的功能影响和治疗敏感性以及它们的出现和可塑性的机制仍有许多有待确定。NPC样、OPC样和AC样状态的基因表达程序锚定在神经发育中，这些状态在肿瘤中的频率受胶质母细胞瘤的基因驱动因素（如CDK4、PDGFRA和EGFR）的影响，从而深入了解其出现的规律。相比之下，MES样状态似乎与在生理健康人脑中检测到的细胞类型只有有限的相似性，并且它仅部分与胶质母细胞瘤的基因改变相关，因此仍不清楚。先前的研究表明，TCGA-MES亚型与巨噬细胞的丰度相关，NF1突变或缺失在TCGA-MES肿瘤中富集，增加了巨噬细胞的招募。因此，TCGA-MES在一定程度上与肿瘤中巨噬细胞的丰度增加有关，这也可能解释了其在复发性疾病中的优势。尽管有这些观察结果，但是什么促使胶质母细胞瘤中出现MES样癌状态仍有待解决，细胞外源性因子对肿瘤或免疫细胞的任何潜在作用仍有待阐明。

首先，利用scRNA-seq数据集，研究人员检测了胶质母细胞瘤（如TCGA所定义）的三个整体亚型在细胞类型和细胞状态中的平均表达。该分析表明，TCGA-MES信号在MES样癌细胞中高度表达，但在包括巨噬细胞、小胶质细胞和有限程度上的T细胞在内的免疫细胞中表达更高（图1A）。因此巨噬细胞和胶质母细胞瘤中的间充质程序之间存在关联，但这种关联是否是因果关系尚不清楚。接下来，利用了一种由含有GFP、HRAG12V和sh-p53的慢病毒诱导的小鼠胶质母细胞瘤模型和一种衍生的肿瘤移植模型。用scRNA-seq分析慢病毒模型中的GFP 细胞，并应用非负性基质因子分解（NMF）鉴定可变表达程序。对于MES样和OPC样状态，以及在更有限程度上对于AC样状态，NMF方案与之前在胶质母细胞瘤患者中观察到的方案高度一致（图1B）。根据已建立的小鼠MES-like（PDPN）和小鼠OPC-like（PDGFRα）胶质母细胞瘤细胞状态，发现MES样胶质母细胞瘤细胞（PDPN PDGFRα⁻GFP 与免疫细胞（CD45 ）的丰度成正比（图1C). 使用泛巨噬细胞标记物IBA1/AIF1进行的免疫组化分析进一步表明，与OPC样细胞相比，巨噬细胞在MES样胶质母细胞瘤细胞附近富集（图1D）。在人类样本中，对MGH157的两个组织切片进行了探测，这两个切片支持原位富集与MES样胶质母细胞瘤细胞相邻的巨噬细胞（图1E）。因此，在小鼠模型和人类样本中，巨噬细胞附近呈富集MES样胶质母细胞瘤状态。

为了探索巨噬细胞诱导癌细胞MES样状态的潜在机制，进一步研究了胶质母细胞瘤scRNA序列数据集预测的配体-受体相互作用。根据结果鉴定了五种由巨噬细胞高度表达的配体（AREG、GAS6、HBEGF、OSM和PDGFB），其中相应的受体（AXL、EGFR、OSMR和PDGFRB）由恶性细胞高度表达（图2A）。值得注意的是，与其他恶性状态相比，巨噬细胞衍生配体的四种受体（AXL、OSMR和PDGFRB）中的三种在人类肿瘤scRNA-seq和TCGA数据集（图2B）中优先由MES样癌细胞表达。此外，在人类和小鼠scRNA序列数据集中，与健康大脑中的对应物相比，三种巨噬细胞衍生配体（OSM、HBEGF和AREG）在胶质母细胞瘤相关巨噬细胞中的表达更高。为了在体内测试巨噬细胞衍生配体对胶质母细胞瘤细胞状态的影响，设计了胶质母细胞瘤小鼠细胞，使每个配体过表达（，将它们注射到同基因小鼠大脑，并通过流式细胞术将结果肿瘤的细胞状态分布与对照组进行比较。结果显示，OSM和HBEGF作为巨噬细胞表达的配体，在小鼠模型中诱导MES样胶质母细胞瘤状态的体内富集。接下来，研究人员发现巨噬细胞分泌的配体对MES样细胞的诱导是在人类细胞中可以重现。也就是说，人类体外胶质瘤球部分地再现了患者中胶质母细胞瘤的异质性，并代表了相关细胞状态的附加模型，与小鼠模型互补，在细胞状态分离的标记物中具有物种特异性差异。OSM整体上调MES样程序，同时下调NPC样程序。为了验证这一结果，用scRNA-seq分析了OSM治疗后的MGG23和MGG75细胞，以及重组OSM体内治疗后小鼠慢病毒模型中的GFP 胶质母细胞瘤细胞。结果显示，OSM治疗导致MES样细胞比例增加（图3D），以减少OPC样细胞（在小鼠模型中）或NPC样细胞（在胶质瘤球中）的比例为代价，而AC样细胞的比例在所有模型系统中仅受到轻微影响。综上所述，这些结果表明，无论是在实验操作还是在患者的疾病进展过程中，向MES样细胞的转变主要发生在NPC样和OPC样状态。

研究人员检测了OSM与细胞因子LIF对MGG23细胞的作用。结果显示，LIF也诱导了类似MES的程序，但程度比OSM小，而且更短暂。为了进一步了解OSM和LIF在人类胶质母细胞瘤细胞中诱导MES样程序的机制，使用CRISPR-Cas9基因组编辑敲除MGG23细胞中的（KO）OSMR、LIFR、OSMR LIFR或IL6ST（编码GP130）。用OSM处理后，OSMR KO细胞中CD44的诱导部分降低，并且通过OSMR和LIFR的双重KO或IL6ST的KO完全消除（图4A和4B）。这些结果表明，在GP130复合物中，OSM介导的MES样程序的诱导依赖于OSMR或LIFR（OSMR的作用更强）。相反，LIF治疗后CD44的诱导被LIFR或IL6ST-KO消除，而OSMR-KO则没有（图4A和4B），这表明LIF对MES样状态的影响是由LIFR/GP130异二聚体复合物介导的。用人巨噬细胞或小胶质细胞的条件培养基，或通过MGG23与人巨噬细胞共培养，观察到类似的CD44诱导（图4C、4D）。同样，OSMR和LIFR的双重KO或IL6ST的KO取消了CD44的诱导，反映了OSM治疗的结果。这些结果表明，单用OSM就足以复制巨噬细胞诱导MGG23细胞MES样状态的作用。且后续研究表明，OSM介导的MES样程序的诱导主要通过STAT3介导。

当巨噬细胞在胶质母细胞瘤细胞中诱导状态转变时，它们也可能受到这种相互作用或胶质母细胞瘤微环境中其他元素的相互影响。目前已发现，胶质母细胞瘤巨噬细胞与其他胶质瘤巨噬细胞之间的差异（图5A）。胶质母细胞瘤巨噬细胞与其他胶质瘤中的巨噬细胞显示不同的程序，并定义了一种新的巨噬细胞-间充质（MP-MES）程序（图5B）。MP-MES基因与M1样和M2样巨噬细胞极化标记不重叠，对所有这些基因的综合分析表明，MP-MES与M1样和M2样巨噬细胞状态相互排斥。与驻留的小胶质细胞相比，MP-MES在浸润的巨噬细胞中富集，并且与小胶质细胞-巨噬细胞评分部分相关。然而，当比较相同巨噬细胞评分的细胞时，观察到与其他胶质瘤相比，胶质母细胞瘤中MP-MES信号的表达明显更高（图5C）。值得注意的是，在所有的胶质母细胞瘤巨噬细胞中均未发现高MP-MES。相反，从患者数据集（图5D）以及小鼠胶质母细胞瘤模型中观察到每个胶质母细胞瘤内巨噬细胞的MP-MES分数存在相当大的变异性。MP-MES的这种变异性与MES样胶质母细胞瘤细胞相关，既与同一肿瘤的空间区域相关（图5E），也与不同肿瘤相关。这些结果表明巨噬细胞的间充质样状态与胶质母细胞瘤细胞之间存在联系。因此，要么MES样胶质母细胞瘤细胞诱导MP-MES，要么这两种状态通常由共同的环境因素（如缺氧）诱导。为了进一步研究这种关联，利用上述的小鼠体内模型，胶质母细胞瘤细胞被设计成过度表达OSM。与对照组小鼠的巨噬细胞相比，从该模型分离的巨噬细胞的MP-MES细胞比例增加。因此MP-MES状态可能是由MES样癌细胞产生的配体诱导，确定了六种潜在的配体（CSF1、CSF3、CX3CL1、TGFB2、TGFB3和CCL7），它们在MES样癌细胞中高度表达，并且相应的受体（CSF1R、CSF3R、CX3CR1、TGFBR2、CCR2、，或CCR5）在巨噬细胞中高度表达。

MES样状态可能还与T细胞活化有关。已有分析指出TCGA-MES肿瘤内T细胞富集（图1A）。但T细胞富集可能与抗肿瘤活性的增加或降低有关，这取决于T细胞的状态。特别是调节性T细胞（Tregs）可能显示抑制，而效应CD8 T细胞可能显示细胞毒性活性增强。为了区分这些可能性，进一步研究了T细胞特异性基因与TCGA批量RNA序列数据中MES样程序的相关性。与T细胞总体丰度具有较高相关性的基因（如CD2、CD3D、CD3E和CD3G所估计的）也与大块肿瘤的MES样评分具有较高相关性，反映了T细胞丰度与MES样状态之间的总体关联（图6A）。由于细胞因子和趋化因子在MES样细胞中通常不上调。然而，主要组织相容性复合体I类（MHC-I）和MHC-II基因在MES样胶质母细胞瘤细胞（以及AC样细胞）中的表达显著高于NPC样和OPC样细胞（图6B）。因此，与对照组相比，经OSM处理的MGG23细胞表达显著更高水平的MHC-I和MHC-II基因。MHC-II基因在癌细胞（如黑色素瘤）中的表达与免疫治疗的更好反应相关。根据结果和TCGA-MES肿瘤中细胞毒性T细胞的富集，研究人员提出MES样状态细胞可能更有效地被T细胞杀死的假设。其后，在体外实验和临床环境中，均有观察结果显示T细胞介导的倾向于杀伤MES样细胞。综上所述，T细胞介导的胶质母细胞瘤细胞的杀伤可能更有效地对抗MES样状态，并且OSM诱导胶质母细胞瘤细胞向MES样状态的转变可以促进这一过程。

该研究具有一定的临床意义，例如，抑制OSM信号传导可能反映了胶质母细胞瘤以及肿瘤的相关治疗策略，可通过阻止间充质样癌细胞的侵袭性。并且，至少在胶质母细胞瘤中，巨噬细胞和癌细胞的MES样状态也可能代表治疗机会，因为它们与高水平的MHC-I和MHC-II以及大量的T细胞相关，向细胞毒性状态倾斜，这可能影响免疫治疗的反应。可以想象，不同的治疗方式对胶质母细胞瘤的细胞状态施加不同的压力，TCGA-MES肿瘤对标准治疗的不良预后可能与免疫治疗的较好反应形成对比。对患者对检查点阻断反应的初步分析以及体外共培养实验都暗示了这种效应，证明T细胞对MES样细胞的杀伤作用增强。因此，通过OSM或其他治疗诱导MES样状态的能力在与免疫治疗结合时可能提供一种新的治疗选择。未来的工作需要充分评估不同治疗方式对驱动胶质母细胞瘤的细胞状态谱的影响。

教授介绍

 

Tirosh实验室将计算和实验方法相结合，将人类肿瘤作为一个复杂的生态系统进行研究，在这个生态系统中，不同的癌症和非癌症细胞相互作用，共同决定肿瘤生物学和对治疗的反应。同时利用单细胞技术、计算方法和临床合作来分析人类肿瘤细胞的多样性。重点是确定重要的肿瘤亚群，如肿瘤干细胞，耐药细胞，侵袭性细胞和免疫细胞对免疫治疗的反应。然后研究它们的功能、调节和脆弱性，最终目标是开发更好的癌症治疗方法。近年来在Nature、Cell、Science及子刊上发表了多篇高水平文章。

参考文献

Toshiro Hara et al., Interactions between cancer cells and immune cellsdrive transitions to mesenchymal-like states in glioblastoma, Cancer Cell(2021), https://doi.org/10.1016/j.ccell.2021.05.002