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本研究利用条件性基因缺失和谱系追踪技术结合小鼠模型与单细胞测序，探究神经胶质瘤发生的早期步骤。研究人员识别出一种在肿瘤早期高度丰富的具有神经嵴样基因表达特征的恶性细胞状态，其在肿瘤生长后期相对减少。正常脑损伤会诱导类似细胞状态出现后消失，表明肿瘤发生过程中存在损伤反应程序激活。研究还揭示了肿瘤发生早期的非恶性损伤样微环境，为胶质母细胞瘤治疗提供新见解，并为早期诊断和预防带来新可能。
胶质母细胞瘤（GBM）是一种无法治愈的脑恶性肿瘤，这种遗传异质性脑恶性肿瘤，也是恶性胶质瘤最具侵袭性的形式，尽管经过数十年的研究，目前仍基本无法治愈。20世纪中期关于GBM中癌症干细胞样细胞的报道，将研究重点放在了促进正常脑前体细胞（PC）转化的突变上。然而，目前的研究主要集中在探索晚期肿瘤中恶性细胞和基质细胞的复杂群体，对于肿瘤发生早期阶段的事件序列尚不清楚。
本研究利用条件性基因缺失和谱系追踪技术结合小鼠模型与单细胞测序，探究神经胶质瘤发生的早期步骤。研究人员识别出一种在肿瘤早期高度丰富的具有神经嵴样基因表达特征的恶性细胞状态，其在肿瘤生长后期相对减少。正常脑损伤会诱导类似细胞状态出现后消失，表明肿瘤发生过程中存在损伤反应程序激活。研究还揭示了肿瘤发生早期的非恶性损伤样微环境，为胶质母细胞瘤治疗提供新见解，并为早期诊断和预防带来新可能。
研究方法
胶质母细胞瘤（GBM）是一种基因多样的脑恶性肿瘤，尽管研究多年，但因其早期肿瘤发生过程不明，至今仍无法治愈。单细胞测序技术虽揭示了恶性细胞的转录异质性，但因临床和伦理限制，难以直接探究肿瘤起始和维持细胞的身份。本研究旨在通过结合动物模型与多组学技术，揭示神经胶质瘤发生发展的早期过程。
动物模型与成像技术：研究者使用遗传工程小鼠模型，结合连续磁共振成像（MRI）和单细胞分析，从肿瘤发生的最早阶段开始探索肿瘤发展。通过在小鼠模型中诱导肿瘤，并在不同阶段收集脑组织样本，进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞染色质可及性测序（scATAC-seq）。
单细胞测序与分析：利用10x Genomics平台对分离的细胞进行单细胞RNA测序，共收集了约10万个单细胞，形成覆盖不同胶质瘤小鼠模型中4个时间阶段的胶质瘤发生图谱。通过Seurat软件进行细胞聚类分析，识别出不同的细胞群体，并分析其在肿瘤发展不同阶段的分布和变化。
克隆谱系分析与进化推断：利用InferCNV从单细胞RNA测序数据中推断出拷贝数变异（CNAs），并使用MEDALT软件推断细胞的系统发育树，分析肿瘤细胞的克隆谱系和进化方向。
空间转录组学分析：对小鼠肿瘤样本进行空间转录组学分析，利用10x Genomics Visium平台，结合单细胞数据，解析肿瘤组织中不同细胞类型的分布和克隆的空间组织。
实验结果与关键结论
（一）肿瘤形成的单细胞图谱
构建包含约 100,000 个单细胞的神经胶质瘤发生图谱，涵盖不同时间阶段。识别出 54 个聚类，其中 31 个反映成年小鼠大脑已知细胞类型，23 个为恶性细胞聚类，经 CNAs 分析验证其恶性状态。
（二）肿瘤发生过程中的细胞组成
恶性细胞状态：在恶性细胞中鉴定出八种不同细胞状态，包括神经嵴样（NCC - like）、间充质干细胞样（MSC - like）等，其标记基因与正常发育细胞相关。NCC - like 细胞在肿瘤早期丰富，随肿瘤发展其相对丰度降低，而 cycling PC - like 细胞则相反，分化样细胞早期多后期少。scATAC - seq 验证了这些细胞状态及分布趋势，且 NCC - like 细胞有独特染色质特征和转录因子结合基序。
克隆层次结构：CNAs 分析表明细胞状态与单个克隆无紧密联系，但 NCC - like 细胞在多数克隆中存在，早期病变样本中部分克隆以其为主，终点样本中则较少。通过 MEDALT 推断细胞系统发育树、PHATE 和 Slingshot 进行轨迹分析，发现肿瘤发生类似发育层次结构，NCC - like 细胞在早期克隆世代更丰富，与其他细胞状态存在特定谱系轨迹关系，且符合特定细胞生长模型。
（三）脑损伤诱导 MSC- 和 NCC- like 状态
正常脑损伤实验中，在损伤侧半球发现诱导产生的 MSC - 和 NCC - like 细胞在损伤后 5 天大量出现，随后减少，同时少突胶质细胞（OLs）和小胶质细胞等也有相应变化，表明脑损伤可诱导短暂的 MSC - 和 NCC - like 状态。
（四）神经胶质瘤发生模仿脑损伤
肿瘤微环境细胞：在胶质瘤小鼠模型中，发现三种在肿瘤样本中丰富的小胶质细胞聚类和两种 OL 聚类，其表达与损伤或疾病相关标记基因，且在肿瘤发生各阶段均存在，表明早期存在损伤样微环境细胞。
细胞间通讯：细胞间通讯分析显示，在肿瘤发生前期和中期，periostin 和 chemerin 信号通路在 NCC - like 细胞和肿瘤相关小胶质细胞间活跃，SPP1 信号通路在肿瘤微胶质细胞和 NCC - like 细胞间持续活跃，且在早期 NCC - like 细胞还通过多种信号通路影响 PC - like 细胞命运，促进肿瘤发展。
单突变模型验证：在单突变 Sox2CEPT 小鼠中，即使无 Pten 缺失，仍有 NCC - 和 MSC - like 细胞出现，表明遗传异常可激活损伤样反应诱导这些细胞状态，促进肿瘤发生。
（五）恶性胶质瘤的空间异质性
空间转录组学分析小鼠和人类胶质瘤样本，发现可识别出不同细胞状态区域，NCC - like 细胞状态基因签名在肿瘤中存在，不同 PC - like 状态在肿瘤内空间分布有差异，且肿瘤多克隆性在空间上有组织性，遗传克隆包含多种恶性细胞状态。
探讨
本研究揭示了神经胶质瘤发生过程中肿瘤细胞组成的动态变化，早期 NCC - like 细胞丰富且参与肿瘤细胞层次结构，脑损伤可诱导类似细胞状态，提示肿瘤发生与损伤反应机制相关。但未明确肿瘤起源细胞，未来需进一步研究。本研究为神经胶质瘤的研究提供了新视角和潜在治疗靶点。
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