SCIENCE | 人类胶质母细胞瘤中不同类型的髓源抑制性细胞群体

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm5214

2025年4月4日约翰霍普金斯大学等团队联合攻关，Science 以封面论文形式发表了题为：Distinct Myeloid-Derived Suppressor Cell Populations in Human Glioblastoma 的研究论文。首次应用单细胞RNA测序技术，结合空间转录组学，系统解析了人类胶质母细胞瘤（GBM）中髓源抑制性细胞（MDSC）的多阶段空间演化图谱，揭示了不同MDSC亚群在IDH野生型胶质母细胞瘤中的特异性分布和功能演化。研究突破了传统肿瘤免疫逃逸模型的局限，创新性地提出了“肿瘤微环境免疫交互”理论框架，首次揭示了肿瘤相关成纤维细胞（CAF）与侵袭性肿瘤细胞在胶质母细胞瘤发展中的关键相互作用机制。这一关键免疫生态位的发现为胶质母细胞瘤的免疫抑制机制提供了新的理解，并可能为早期诊断和治疗策略的开发提供理论支持，对提高胶质母细胞瘤的临床治疗效果具有重要意义。

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背景介绍

胶质母细胞瘤（GBM）是最具侵袭性的原发性脑肿瘤，尽管手术、放疗和化疗等治疗手段不断进步，但其恶性程度和治疗难度使得该疾病的预后依然不佳。全球范围内，GBM的5年生存率不到30%，且患者大多数在诊断时已处于中晚期，生存期往往不到一年。GBM的治疗面临多重挑战，尤其是由于肿瘤免疫逃逸和缺乏有效的免疫治疗手段，使得该疾病的治疗效果远低于其他类型的癌症。尽管近年来免疫治疗和免疫检查点抑制疗法在其他类型癌症中取得了突破性进展，但对于GBM的效果依然有限。研究表明，GBM肿瘤微环境中的髓源抑制性细胞（MDSC）在肿瘤免疫逃逸、免疫抑制和肿瘤进展中起着关键作用。然而，髓源抑制性细胞在GBM中的功能和机制仍不清楚，亟需对其进行深入探索。

为了系统性地解析GBM肿瘤微环境中的免疫细胞作用，研究团队应用前沿的单细胞RNA测序技术，结合空间转录组学，首次在全球范围内绘制了胶质母细胞瘤中髓源抑制性细胞的多阶段空间演化图谱。通过这一研究，团队突破了传统肿瘤免疫逃逸模型的局限，创新性地提出了“肿瘤微环境免疫交互”理论框架，并首次揭示了肿瘤相关成纤维细胞（CAF）与侵袭性肿瘤细胞之间在GBM中的关键相互作用机制。

这一发现不仅为进一步了解GBM的免疫逃逸机制提供了新的视角，也为开发新的免疫治疗策略奠定了理论基础。研究结果对推动胶质母细胞瘤的早期诊断和治疗具有重要的临床实践价值，并为未来免疫治疗的靶向干预提供了潜在的靶点。

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研究现状

1.人类胶质母细胞瘤的临床与分子特征

胶质母细胞瘤（Glioblastoma, GBM）是最具侵袭性的原发性脑肿瘤，全球范围内其发病率和死亡率较高。GBM的发病机制复杂，涉及多种基因突变（如TP53、EGFR、PTEN）、表观遗传改变以及肿瘤微环境的重塑。GBM的进展遵循经典的“正常脑组织→低级别胶质瘤→高级别胶质瘤→浸润性胶质母细胞瘤”演化模式。然而，现有研究主要集中在肿瘤的单时间点分子特征或批量组织分析，缺乏对肿瘤异质性、细胞演变过程中的空间动态以及肿瘤微环境中细胞互作的系统性分析。

2.单细胞技术与空间组学的进展与局限

单细胞RNA测序技术（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）近年来已成为解析肿瘤细胞异质性的重要工具，能够揭示肿瘤中不同亚群细胞的基因表达特征和功能状态。例如，研究者已通过scRNA-seq识别出GBM中的不同细胞群体，包括肿瘤细胞、免疫细胞和成纤维细胞（CAF）。然而，scRNA-seq技术在解离组织时会丢失空间信息，无法揭示细胞状态与其在肿瘤微环境中的空间定位之间的关系。为了解决这一问题，空间转录组技术（Spatial Transcriptomics）如Xenium In Situ和TF-seqFISH等方法，通过保留细胞的空间坐标，实现了肿瘤的空间分布特征分析。这些技术已经应用于乳腺癌、结直肠癌等实体瘤研究，但尚未在GBM中进行系统性的多阶段连续分析，尤其是在肿瘤演化的各个阶段，如早期病变、侵袭期和晚期期的时空联系尚未明确。

3.肿瘤微环境的动态重塑与免疫逃逸机制

GBM的进展不仅依赖于肿瘤细胞的增殖和侵袭，还与肿瘤微环境中的免疫细胞和成纤维细胞的相互作用密切相关。特别是肿瘤相关成纤维细胞（CAF）在肿瘤生长、免疫逃逸和肿瘤侵袭中起着关键作用。CAF通过分泌细胞因子（如VEGF、MMPs）促进肿瘤的血管生成和免疫抑制。此外，免疫抑制性髓系细胞（MDSC）在GBM的免疫逃逸中也发挥了重要作用。尽管已有研究揭示了CAF和肿瘤细胞的相互作用，但仍不清楚侵袭性肿瘤细胞如何通过空间分布激活CAF，以及CAF与肿瘤细胞在肿瘤微环境中形成的关键免疫生态位。现有研究多局限于静态描述，缺乏对CAF和肿瘤细胞（CAF-Epi）在肿瘤演化过程中的动态调控机制及空间特征的深入研究。

4.未满足的研究需求

尽管多项研究揭示了JAG1-NOTCH信号通路在肿瘤干细胞特性维持和CAF活化中的重要作用，但其在GBM中的时空演变功能尚未得到充分验证。此外，肿瘤边缘的“侵袭前沿（Invasive Front）”被认为是肿瘤转移的策源地，但其在多阶段癌变中的形成机制尚未被阐明。传统的病理分期方法主要依赖肿瘤的形态学特征，而缺乏对肿瘤微环境和细胞异质性深层次的分子解析。因此，基于分子和空间信息的精准分期标志物的开发，成为GBM研究中的迫切需求。

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科学问题与创新性

本研究通过整合单细胞多组学与空间转录组技术，首次构建了人类胶质母细胞瘤（GBM）髓源抑制性细胞（MDSC）的“单细胞多阶段空间演化图谱”，揭示了肿瘤相关成纤维细胞（CAF）与侵袭性上皮细胞在癌前病变阶段就能形成关键交互生态位，并在GBM的免疫逃逸和肿瘤进展中发挥重要作用。此研究不仅填补了GBM免疫微环境演变机制的空白，更为其他肿瘤类型（如头颈部鳞状细胞癌、肺癌等）肿瘤微环境的生态位研究提供了新的研究范式，具有以下重要意义：

1.临床转化：通过肿瘤微环境免疫逃逸机制的解析，为GBM的精准免疫分期与预后预测提供了新的理论依据，并为个性化免疫治疗策略的设计奠定了基础。

2.机制突破解析：深入剖析了CAF和侵袭性肿瘤细胞（特别是MDSC）之间的空间逻辑与动态相互作用，揭示了肿瘤-基质相互作用的关键机制，为靶向治疗的潜在干预靶点提供了新的视角。

3.技术整合：本研究通过单细胞RNA测序和空间转录组学的联合应用，推动了肿瘤异质性研究进入“时空分辨率时代”，并为未来肿瘤微环境中的细胞相互作用及其在肿瘤进展中的作用提供了新的技术框架。

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 胶质瘤中髓系细胞的多样性与独特景观

为了表征胶质瘤和健康对照患者中胶质瘤相关髓系细胞（GAMs）的多样性景观，我们对21例切除的IDH-WT胶质母细胞瘤、6例IDH突变且1p/19q共缺失的2级少突胶质瘤、1例IDH突变2级星形胶质瘤、3例IDH突变3级星形胶质瘤、2例IDH突变4级星形胶质瘤以及5例非肿瘤性脑组织样本中的CD45+CD3−免疫细胞进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。这些CD45+CD3−免疫细胞通过荧光激活细胞分选（FACS）从新鲜分离的组织中纯化得到（图1A）。总共有240,183个CD45+CD3−免疫细胞通过质量控制并用于后续分析（图S1A和B）。我们对所有分析的肿瘤样本和非肿瘤性脑组织样本中的CD45+CD3−细胞的转录组数据应用了无偏聚类和批次效应校正算法，识别出18个免疫细胞簇）。使用经典标记基因来识别主要细胞群体；低表达HLA-DR的髓系细胞是MDSC的特征（图1B）。特别聚焦于髓系谱系细胞时，我们识别出了14个髓系细胞簇，其中包括5个小胶质细胞簇和9个骨髓来源的髓系细胞（BMDM）簇（图1C）。通过将每个簇与其他髓系簇进行差异表达基因比较，我们将各个簇注释为不同的细胞类型（图1D和E）。我们的单细胞分析展示了在非肿瘤性和肿瘤性中枢神经系统（CNS）区域中，小胶质细胞和BMDM群体的多样且复杂的组成，显著扩展了传统对胶质瘤中M1和M2肿瘤相关巨噬细胞的认识。

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特定的MDSC群体仅在IDH-WT胶质母细胞瘤中存在

基于小鼠模型的证据，肿瘤微环境（TME）中的特定髓系群体可以影响肿瘤细胞的生长、表型以及抗肿瘤免疫反应，我们首先调查了肿瘤分级和分子状态是否会影响GAM群体的分布。尽管GAMs在不同患者之间的分布有所不同（图S2C），我们发现，在更具侵袭性的肿瘤状态中，BMDMs（骨髓来源的髓系细胞）相对于小胶质细胞的比例较大，且BMDMs的比例随着胶质瘤分级的增加而增加（图2A）。值得注意的是，我们发现，14个髓系群体中只有2个是特定于IDH-WT胶质母细胞瘤的，在IDH突变型2级和3级胶质瘤中几乎不存在（图2B）。其中一个群体类似于早期MDSCs（E-MDSCs），缺乏谱系标记的表达，另一个群体是单核型MDSCs（M-MDSCs），具有较强的CD14表达。第三个髓系群体，被指定为MAC2，具有M1和M2型巨噬细胞的转录组特征，在IDH-WT胶质母细胞瘤中也高度富集，尽管在IDH突变型低级别肿瘤中也观察到了少量该群体。值得注意的是，比较这些MDSCs在具有不同分子特征的肿瘤中的存在时，发现这些细胞仅存在于IDH-WT胶质母细胞瘤中，而在IDH突变型4级星形胶质瘤中几乎没有。对于其他分子特征（如表皮生长因子受体（EGFR）扩增和突变状态或O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（MGMT）甲基化状态），这些细胞的存在没有显著差异。

这三个人群的转录组分析揭示，E-MDSCs（早期髓系来源抑制细胞）优先表达多种编码代谢酶、应激诱导基因和金属硫蛋白的基因；M-MDSCs（单核型MDSCs）优先表达多种S100A家族基因和细胞迁移基因；而MAC2巨噬细胞群体则表达高水平的MHC2、清道夫受体以及与组织损伤相关的基因（图2C）。没有其他髓系群体在IDH-WT胶质母细胞瘤中选择性存在。尽管MDSCs在T细胞缺乏的肿瘤中抑制天然抗肿瘤T细胞反应的作用尚不清楚，然而，MDSC功能的标准测试是其在体外对T细胞增殖反应的抑制。我们通过FACS将胶质母细胞瘤浸润的MDSCs分为M-MDSC（CD14+）、PMN-MDSC（CD15+）和E-MDSC（CD14−、CD15−和CD16−）群体。我们将Cell Trace Violet（CTV）标记的外周血单核细胞（PBMCs）与每个肿瘤相关的MDSC亚群在不同的MDSC:PBMC比率下进行共培养。我们发现，所有三种MDSC亚群都强烈抑制T细胞增殖（通过CTV稀释检测），其中M-MDSCs对CD4和CD8 T细胞增殖的体外抑制最强。这些结果验证了我们单细胞分析中定义的MDSCs展现了MDSCs的经典功能特征。

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E-MDSC、M-MDSC 和 GAM 存在于一个细胞状态的连续体上

为了推测GAMs（胶质瘤相关髓系细胞）的分化轨迹和转录状态，我们生成了扩散图，并对BMDM（骨髓来源的髓系细胞）细胞进行了伪时间和RNA速度分析，特别关注MDSC和巨噬细胞群体。我们发现，在三对胶质母细胞瘤特异性的髓系细胞群体中存在发展联系（E-MDSC→M-MDSC，MAC1→MAC2，PMN→PMN-MDSC）。E-MDSC是发育轨迹中最早的细胞群体，并具有沿着一个独特的发育轨迹发展为M-MDSC的潜力（图2D）。

接下来，为了识别沿着从E-MDSC到M-MDSC的单细胞轨迹中动态变化的特定基因，我们使用伪时间分析评估了沿着单个分化轨迹的全局转录组学，轨迹向量是通过我们的RNA速度分析建立的（图2E）。我们发现，当细胞从E-MDSC状态过渡到M-MDSC状态时，涉及细胞外基质成分和重塑的基因（如CD44、FLNA、VCAN和FN1）、免疫炎症（如FCN1和S100蛋白）、趋化因子（如CXCL2和CXCL3）以及单核清道夫受体（如CD14、MARCO和CD163）的表达增加，这些基因通常与M2型巨噬细胞相关。相反，与代谢途径相关的基因表达减少，包括糖酵解（如HK2、ENO2和SCD）、抗氧化途径（如HMOX1、MT1G和MT1H）以及细胞应激反应（如BNIP3和NUPR1）（图2E）。在细胞从E-MDSC转变为M-MDSC的过程中，代谢和缺氧通路的下调表明，这些细胞所在的肿瘤微环境（TME）中可能存在环境差异。

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 IDH-WT胶质母细胞瘤MDSCs展现出强烈的分解代谢和合成代谢

鉴于细胞在不同髓系细胞状态之间转变时，与代谢途径相关的基因表达呈现出显著的伪时间性变化，我们进行了基因集合富集分析（GSEA），以进一步表征代表MDSC群体功能状态的通路。与其他BMDM亚群相比，E-MDSCs和M-MDSCs的差异表达基因的GSEA分析揭示，最显著诱导的基因集合主要涉及多个分解代谢和合成代谢途径，包括糖酵解、氧化磷酸化、脂肪酸代谢和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路的富集（图3A）。在这两种MDSC群体中，最富集的基因集合通路是碳水化合物和脂质代谢通路。除了糖酵解和脂肪酸代谢，E-MDSCs还表现出对其他碳水化合物代谢的上调，包括果糖和甘露糖、戊糖磷酸途径、核苷酸和氨基糖代谢以及氨基酸代谢。使用SCENIC（8）程序，通过根据转录因子的调控子表达水平确定其激活状态，我们识别出E-MDSC特异性激活的转录因子，这些转录因子调控代谢途径，包括调节葡萄糖、脂质和氨基酸代谢稳态的CREB、ATF、PPAR和RXR转录因子家族（图3B）。

在E-MDSCs与M-MDSCs的程序进行更详细的比较时，E-MDSCs似乎在这些转录因子的激活上表现出更高的水平（图3B），并且在编码糖酵解关键酶的基因表达上显著增加，包括己糖激酶-2（HK2）和甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）。该群体的细胞还表现出葡萄糖转运蛋白1（SLC2A1）表达的增加，使葡萄糖作为糖酵解的底物流入细胞（图S5A和B）。这些广泛的合成代谢和分解代谢转录程序高度表明这是一个活跃增殖的群体。事实上，E-MDSCs和M-MDSCs代表了由MKI67等基因定义的增殖性髓系簇的主要组成部分。对循环中的髓系细胞进行亚聚类分析表明，E-MDSCs和M-MDSCs占循环细胞的近一半（图3C）。

为了在蛋白水平验证胶质母细胞瘤相关MDSCs的主要代谢程序，我们对10个额外的IDH-WT胶质母细胞瘤肿瘤样本进行了21色多参数流式细胞术分析。通过结合与各种髓系谱系、代谢酶和标志物相关的抗体，我们鉴定出两种不同的HLA-DR−CD33+细胞群体，这些群体复现了从单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析中识别的MDSC亚群（图3D）。特别地，我们能够辨别出一个MDSC群体，其高表达HK2和GLUT1，类似于通过scRNA-seq识别的E-MDSC群体。我们还识别出一个不同的MDSC群体，具有较高的CD14和CD206表达以及较低的GLUT1表达，类似于通过scRNA-seq识别的M-MDSC群体。尽管这两种MDSC群体都表现出葡萄糖代谢的上调，但与M-MDSC群体相比，E-MDSCs表现出更高的GLUT1表达。我们假设M-MDSCs可能使用不同的葡萄糖转运蛋白。基因表达分析发现，M-MDSCs显示出更高的GLUT3表达，而E-MDSCs则显示出更高的GLUT1和GLUT5表达。我们的流式细胞术结果还显示，与HLA-DR+巨噬细胞相比，这些细胞中电压依赖性阴离子选择通道1（VDAC1）、线粒体进口受体亚单位TOM20同源物（TOMM20）和磷酸化S6核糖体蛋白（pS6）的表达增加，这些都是氧化磷酸化和mTOR通路的一部分。总的来说，这些蛋白组学研究验证了我们的单细胞转录组分析，显示MDSCs中多条代谢通路的显著上调。我们进一步对来自同一胶质母细胞瘤患者的匹配外周血单核细胞（PBMCs）进行了流式细胞分析，这些患者的肿瘤复现了scRNA-seq分析的蛋白验证结果。分析显示，HK2+ MDSCs仅在肿瘤浸润的髓系细胞中发现，而在外周血中没有，进一步支持了我们的假设，即这些细胞在响应营养匮乏的肿瘤微环境（TME）时改变了其代谢途径（图3E）。综上所述，这些发现表明，胶质母细胞瘤MDSCs被高度程序化，以摄取和代谢TME中有限的营养物质，满足高能需求以及通过合成代谢途径进行快速细胞扩展。这些上调的代谢程序是肿瘤细胞本身的特征，但在TME中的MDSCs中尚未被识别。

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 MDSCs表现出选择性上调缺氧和细胞应激反应

我们假设这些细胞由于处于营养匮乏的肿瘤微环境（TME）中，因此表现出高度代谢的基因程序，并且会上调其他功能程序，帮助它们在这种环境中生存。我们的结果进一步表明，MDSC群体均表现出与细胞应激和氧化应激反应相关的基因和转录因子的上调，包括缺氧、活性氧种和血红素代谢通路，这些通路之前已被认为在适应性免疫和先天免疫功能障碍以及肿瘤发生中发挥重要作用。在E-MDSC中，某个特定基因表现出了显著的上调，那个基因是HMOX1，它是自由血红素分解代谢中的限速酶，在调节抗炎和抗氧化通路中发挥关键作用。巧合的是，这些细胞也表现出铁蛋白轻链和重链（FTL和FTH1）的表达增加。在转录因子分析中，E-MDSC表现出调控HMOX1表达的转录因子激活的增加。除了HMOX1，E-MDSC还表现出与细胞应答缺氧相关的基因（如NUPR1和ERO1A）以及相关转录因子的表达增加。M-MDSCs也上调了参与缺氧和应激反应的基因通路，以及编码生长因子（如EREG）、趋化因子（如CXCL2和CXCL3）和细胞外基质（ECM）成分的基因，这些成分是细胞运动的关键促进因子。我们的结果揭示，这些特定的E-MDSC和M-MDSC群体在IDH-WT胶质母细胞瘤中不仅通过上调其代谢程序在营养匮乏的微环境中竞争性生存，还通过上调与低氧环境细胞应答相关的通路，包括抗氧化和细胞修复通路，以适应、繁荣，甚至在IDH-WT胶质母细胞瘤这一敌对环境中积极增殖（图3C）。

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 配体-受体相互作用与E-MDSCs的胶质瘤细胞的空间共定位

为了定义髓系细胞与肿瘤细胞之间的潜在相互作用，我们接下来对CD45−细胞群体进行了无监督聚类分析，通过推测基于基因在基因组位置上的表达强度的拷贝数变异（CNVs）（inferCNV）将细胞分类为恶性和非恶性细胞类型。在我们的统一流形近似与投影（UMAP）分析中，定义了10个肿瘤细胞簇，其元程序与之前的研究一致（图4A）。接下来，我们评估了不同胶质瘤亚型中肿瘤细胞群体的存在，发现T3和T4肿瘤细胞群体在IDH-WT胶质母细胞瘤中高度选择性地表达，而在IDH突变型胶质瘤中几乎不存在。与我们在MDSCs中观察到的类似，这些特定的肿瘤细胞群体也在IDH-WT胶质母细胞瘤中富集（图4B)。

为了定义髓系细胞与肿瘤细胞之间的潜在相互作用，我们接下来对CD45−细胞群体进行了无监督聚类分析，通过推测基因组位置上的基因表达强度来推断拷贝数变异（CNVs）（inferCNV），将细胞分类为恶性和非恶性细胞类型。通过统一流形近似与投影（UMAP）分析，我们定义了10个肿瘤细胞簇，这些簇的元程序与之前的研究一致（图4A）。接下来，我们评估了不同胶质瘤亚型中肿瘤细胞群体的存在，发现肿瘤群体T3和T4在IDH-WT胶质母细胞瘤中高度选择性地表达，而在IDH突变型胶质瘤中几乎不存在。与我们在MDSCs中观察到的类似，这些特定的肿瘤细胞群体也在IDH-WT胶质母细胞瘤中富集（图4B）。

为了进一步探讨这些肿瘤细胞群体与MDSC群体之间的相互作用，进行配体-受体分析，我们发现E-MDSC细胞与肿瘤细胞中的T4群体在空间上表现出显著的共定位。T4群体的转录组分析揭示了与血管生成（VEGFA）、神经发育（MALAT1）、缺氧反应（ERO1A）和糖酵解（PGK1）相关的基因表达增加。相应地，通过基因集合富集分析（GSEA），T4肿瘤簇显示了肿瘤发生通路的上调，包括VEGF信号通路、整合素、糖酵解和缺氧通路。这些通路之前已被证明在胶质瘤细胞中上调并驱动干性特征的形成。

基于调控子（Regulon）分析转录因子的活性，我们发现T4肿瘤细胞群体上调了在展示干样特征的细胞中已知的转录因子的活性，这些转录因子在将分化的IDH-WT胶质母细胞瘤细胞重编程为具有自我更新和肿瘤传播能力的干样细胞中起关键作用，包括HES1、SOX9和KLF4。T4群体还表现出ARID3A、GLI3、GATA6和XBP1程序的激活，这些在胶质瘤中的研究较少，但已被认为与诱导干性促进通路（如Hedgehog信号通路）和维持癌细胞干性相关，并在其他系统性癌症中发挥作用（图4D）。尽管尚不清楚胶质瘤干细胞（GSCs）是否是唯一的可再生肿瘤细胞亚群，并且不单向地向其他肿瘤亚群发展，但它们是胶质瘤肿瘤细胞的关键亚群，负责肿瘤的进展、侵袭以及对化疗和放疗的耐药性。随着研究技术的发展，传统上主要在小鼠模型和体外系统中讨论的GSC模型也得到了演变。最近的人类胶质瘤单细胞RNA测序（scRNA-seq）工作为胶质母细胞瘤中的细胞状态提供了更多的颗粒度，多个细胞状态能够推动肿瘤的生长。我们T4细胞群体中的转录组学和转录因子程序使人联想到之前描述的增殖性和缺氧的间充质细胞状态。这些细胞状态已被证明具有祖细胞表型和肿瘤传播潜力。我们的RNA速度分析表明，T4肿瘤簇有可能过渡到T3簇，后者又有可能过渡到其他肿瘤簇，表明T4簇具有干样功能。

鉴于MDSC和T4肿瘤细胞群体之间共享的与低氧和营养限制环境中的高能需求相关的代谢途径的上调——例如糖酵解、血管生成和缺氧通路——我们假设这些细胞可能在肿瘤区域内地理性共定位，需要这些通路的增强活动来支持细胞生长和能量消耗，以适应营养和氧气的限制。为了进一步评估这些群体的潜在共定位，我们对来自我们队列中两位代表性IDH-WT胶质母细胞瘤患者的肿瘤不同组织区域（包括坏死区、假层状区域和远端肿瘤区域）进行了空间基因表达分析。每个样本包括通过Visium空间转录组平台分析的5μm组织切片。通过对空间转录组特征进行降维和聚类分析，鉴定出与通过scRNA-seq分析识别的E-MDSC和T4细胞群体相似的簇。这些细胞群体特别定位于肿瘤的假层状区域。胶质母细胞瘤的假层状区域是围绕坏死焦点的高细胞密度区（图4E），这是IDH-WT胶质母细胞瘤的一个典型病理特征。该区域的特点是缺氧微环境和微血管增生。假层状坏死和微血管增生的存在是胶质瘤预后不良的显著预测因素，且缺氧环境被认为驱动肿瘤细胞的生存和干性。尽管这些区域传统上被认为主要由肿瘤细胞组成，但我们的结果表明，MDSC对假层状区域的细胞结构做出了重要贡献。使用强大的细胞类型分解（RCTD）方法，我们分析了在我们的scRNA-seq数据中定义的E-MDSC和T4的空间定位，并发现E-MDSC和T4几乎完全共定位于IDH-WT胶质母细胞瘤的假层状区域，并具有高概率，M-MDSCs则位于T4肿瘤亚群旁边，而不是与T4共定位（图4F）。为了进一步量化E-MDSC和T4在假层状区域与其他细胞群体的共定位情况，我们根据距离坏死的远近将这些区域划分为五个区域，并计算每个区域中特定细胞簇存在的概率。我们发现，E-MDSC和T4的存在概率在区域1（靠近坏死区）最高，随着距离坏死区越来越远，其概率相应降低。相反，对于其他细胞群体，随着距离坏死区越来越远，其概率增加（图4G）。

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 相互作用表明E-MDSCs与间充质胶质瘤干样细胞之间存在共生关系

E-MDSCs与具有干样间充质特征的胶质瘤细胞在IDH-WT胶质母细胞瘤的假层状区域的共定位表明，这些细胞之间的短程通讯可能会增强肿瘤的侵袭性和进展，包括膜配体、细胞因子、趋化因子以及生长和分化因子发出的信号。因此，我们检查了在E-MDSC和T4肿瘤细胞之间选择性增强的配体-受体相互作用，以确定这些细胞之间的潜在通讯模式。我们使用了一个经过生物学验证的配体-受体对的数据集，评估了细胞簇对之间的相互作用。我们发现，E-MDSC与T4肿瘤细胞之间的配体-受体对相互作用的数量显著较高（图5A）。

我们的结果表明，T4肿瘤细胞通过多个配体-受体对，增强了E-MDSCs的趋化因子-趋化因子受体信号传导，包括：CCL8-CCR1、CXCL1-CXCR1、CCL5-CCR1、CXCL8-CXCR1和CCL4-CCR5。这些相互作用中的一些已被证明参与了MDSC的招募，进入炎症和肿瘤微环境（TME）中的不同部位，包括胶质瘤模型（29-31）。除了这些趋化因子，白细胞介素-6（IL-6）与白细胞介素-6受体（IL-6R）之间的相互作用进一步增强了MDSC的积聚并诱导了这些细胞中各种免疫抑制功能基因的表达（32）。T4肿瘤簇还表现出了巨噬细胞集落刺激因子1（CSF1）的表达增加，CSF1是主要的髓系生长因子，与E-MDSCs上高表达的CSF1受体（CSF1R）配对。

反过来，我们发现E-MDSC到肿瘤细胞的强烈配体-受体相互作用，这些肿瘤细胞具有干样和间充质程序，推动肿瘤增殖、生存和侵袭。细胞外基质成分Versican（VCAN）在E-MDSCs中强烈诱导，而其相应的受体CD44在T4中诱导。E-MDSCs还表现出上调多个生长因子受体激酶的配体表达。特别地，我们发现了一个先前未知的FGF11-FGFR1相互作用，它通过激活Ras/MAPK、PI3K/AKT和磷脂酶（PLC）/蛋白激酶C（PKC）信号级联反应来促进肿瘤细胞的增殖和生存。尽管FGFR1已被报道为潜在的IDH-WT胶质母细胞瘤生长因子受体，我们的数据表明，E-MDSC产生的FGF11可能是其在胶质母细胞瘤中的主要配体。此外，E-MDSC表现出与T4肿瘤细胞上与肿瘤侵袭、血管生成和胶质瘤细胞迁移相关的受体的增加相互作用，包括整合素亚单位α5（FN1-ITGA5）和血管内皮生长因子B（VEGFB-FLT1）（图5A）。肿瘤细胞的转录因子分析显示，T4亚群中与生长因子和血管生成通路相关的转录因子的激活增加，包括c-Jun、c-Myc和ATF。

为了进一步支持我们的假设，即E-MDSC产生的生长因子（图5A）可能通过与T4肿瘤细胞上的生长因子受体相互作用，随后激活促肿瘤基因程序，我们接下来生成了EGFR和FGFR1的信号通路评分，这些生长因子受体在T4肿瘤细胞群体中上调，这些受体在配体-受体相互作用分析中得到了验证。这些信号评分随后与T4群体中每个细胞的相应生长因子受体的表达水平进行了相关分析。我们发现，生长因子受体的表达水平与该生长因子通路的信号评分之间存在强相关性（图5B）。这支持了图5A中推测的配体-受体相互作用导致T4肿瘤细胞中生长因子通路的显著上调。

我们还使用空间转录组数据进一步评估了通过单细胞聚类相互作用映射所识别的E-MDSC和T4之间的某些配体-受体相互作用，并发现FGF11和FGFR1等代表性配体-受体对在假层状区域的基因表达中共富集（图5C）。通过挖掘癌症基因组图谱（TCGA）数据集，我们发现E-MDSC基因特征与肿瘤T4群体的基因特征之间存在强相关性。综上所述，E-MDSC和T4在IDH-WT胶质母细胞瘤的假层状区域的共定位，以及配体-受体相互作用分析，支持了E-MDSC和T4细胞之间存在共生关系的模型，其中肿瘤促进了E-MDSC的积聚和增殖，而E-MDSC的积聚支持肿瘤的生长和侵袭。

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 MDSC特征是IDH-WT胶质母细胞瘤的独立预后因子

鉴于IDH-WT胶质母细胞瘤中MDSC的特定招募与IDH突变型4级胶质星形胶质瘤相比，我们假设IDH1或IDH2（IDH1/2）突变状态与MDSC的招募在机制上相关。已知突变型IDH1/2会产生并导致致癌代谢物2-羟基戊二酸（2-HG）的积累，而2-HG可以抑制介导DNA去甲基化途径的十一迁移酶（TET）酶的活性。因此，IDH突变型胶质瘤已与高甲基化表型相关联。我们假设IDH突变型胶质瘤可能会发生与MDSC激活和招募相关的细胞因子和趋化因子的高甲基化和沉默。为了验证这一假设，我们分析了来自低级别和高级别TCGA队列（TCGA 2016）的转录组和甲基化数据，并发现与IDH突变型胶质瘤相比，IDH-WT胶质母细胞瘤确实表现出较低的甲基化评分，并且相应地增加了如CCL5、CXCL8和IL-6等趋化因子和细胞因子的表达（图5D）。当我们分析仅限于高级别胶质瘤的甲基化数据（TCGA 2013，基于当时数据库的先前分类）时，发现IDH突变型4级胶质星形胶质瘤的这些基因的甲基化趋势较高，相比于IDH-WT胶质母细胞瘤，尽管IDH突变型4级胶质星形胶质瘤样本的甲基化数据较少。我们进一步发现这些趋化因子和细胞因子的基因表达在空间层面上在假层状区域中富集（图5E）。为了确定这些特定的MDSC群体和T4肿瘤细胞的存在是否影响胶质母细胞瘤患者的生存，我们检查了在TCGA基因表达中MDSC和T4肿瘤细胞相关基因表达的临床后果。当分析结合低级别胶质瘤和高级别胶质瘤的TCGA队列时，高E-MDSC和M-MDSC表达样本几乎完全是IDH-WT胶质母细胞瘤，而低表达样本则包含高比例的IDH突变型肿瘤，这与我们的scRNA-seq结果一致，即这些细胞群体是特定于IDH-WT胶质母细胞瘤的。我们进一步将TCGA样本子集化为仅IDH-WT胶质母细胞瘤，在仅IDH-WT胶质母细胞瘤中进行的生存分析显示，高E-MDSC基因表达特征的胶质母细胞瘤患者的总生存期明显短于低E-MDSC基因表达特征的患者，这与MGMT甲基化状态无关（图5F）。类似地，M-MDSC和T4基因表达特征也对IDH-WT胶质母细胞瘤患者的生存进行分层。这表明这些细胞的存在是IDH-WT胶质母细胞瘤的独立预后指标。为了确定甲基化和关键趋化因子的表达与E-MDSC特征的存在之间的关系，我们基于E-MDSC基因特征的表达对联合胶质瘤队列进行聚类，发现低E-MDSC表达的患者具有较低的上述趋化因子的表达和高甲基化。

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 技术路线图

1.研究背景与目的

该研究旨在深入探讨IDH-WT胶质母细胞瘤（GBM）中髓源抑制性细胞（MDSC）与肿瘤细胞的相互作用。研究者通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）和空间转录组学分析，揭示了IDH-WT胶质母细胞瘤中特定的MDSC亚群（E-MDSC和M-MDSC），并分析其如何与肿瘤干样和间充质样细胞的转录程序相互作用，促进肿瘤的进展和免疫逃逸。

2.研究方法

研究使用了单细胞RNA测序（scRNA-seq）和空间转录组学，结合流式细胞术分析，探讨了肿瘤微环境（TME）中髓源抑制性细胞（MDSC）的分布与功能。研究还通过实验模型分析了E-MDSC与肿瘤细胞之间的配对受体-配体相互作用，以及这些细胞如何通过代谢重编程和免疫抑制机制促进肿瘤的生长和侵袭。

3.研究目标的变化

最初，研究集中于探索MDSC在IDH-WT胶质母细胞瘤中的作用，但随着对不同MDSC亚群和肿瘤细胞之间相互作用的进一步研究，发现了MDSC与具有干样程序的肿瘤细胞之间的互作网络。这一发现表明，MDSC不仅通过代谢重编程促进肿瘤生长，还可能通过与肿瘤细胞的相互作用影响肿瘤的干性特征。

4.这种现象形成的机制

研究揭示，E-MDSC在IDH-WT胶质母细胞瘤中通过上调多种代谢途径（如糖酵解、氧化磷酸化及氨基酸代谢）和应激反应途径，适应并促进了肿瘤微环境中的细胞扩展。同时，E-MDSC通过化学因子和受体的配对相互作用，帮助肿瘤细胞维持其干性和间充质特性，从而推动肿瘤的生长和侵袭。

5.这种现象对应生物的影响

E-MDSC和M-MDSC的活跃存在与IDH-WT胶质母细胞瘤患者较差的预后相关。这些细胞通过促进肿瘤细胞的干性维持和间充质分化，以及通过促进免疫抑制，增强了肿瘤的生长能力和治疗抗性。这一发现为开发新的肿瘤免疫治疗提供了新的思路。

6.临床应用潜力

E-MDSC和M-MDSC的存在可以作为IDH-WT胶质母细胞瘤预后的独立生物标志物。研究为开发靶向MDSC的免疫治疗策略提供了新的视角，尤其是在肿瘤微环境中MDSC与肿瘤细胞之间的相互作用方面。这可能帮助我们在未来为这些患者提供更加个性化的治疗方案。

7.研究讨论

该研究揭示了MDSC在IDH-WT胶质母细胞瘤中的关键作用，特别是在促进肿瘤免疫逃逸和进展中的角色。然而，目前的研究仍受到模型的局限性影响，现有的小鼠模型未能准确模拟人类肿瘤中E-MDSC的功能。此外，尽管在空间转录组学中观察到MDSC和肿瘤细胞的共定位，但这些发现仍需在更广泛的临床数据中进一步验证。

8.研究局限

研究局限主要表现在缺乏能够完整复制人类肿瘤免疫微环境的小鼠模型，且现有的肿瘤类器官系统不能充分反映免疫细胞的浸润。此外，虽然空间转录组学提供了有关MDSC和肿瘤细胞相互作用的深刻见解，但仍需更多的功能性实验来验证这些相互作用的具体机制 。

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 文章创新性

1.揭示了MDSC与干性肿瘤细胞的相互作用本研究首次系统性地揭示了髓源抑制性细胞（MDSC）与IDH-WT胶质母细胞瘤中的干性肿瘤细胞之间的相互作用，特别是E-MDSC和M-MDSC与肿瘤细胞的干性及间充质样程序的关系，提出了MDSC可能在肿瘤的免疫逃逸和干性维持中发挥重要作用。

2.空间转录组学与单细胞RNA测序结合应用该研究创新性地结合了空间转录组学和单细胞RNA测序（scRNA-seq），不仅揭示了肿瘤细胞和MDSC在胶质母细胞瘤中的空间分布，还展示了MDSC和肿瘤细胞在肿瘤微环境（TME）中的动态交互。

3.探索MDSC的代谢重编程与肿瘤进展的关系研究揭示了MDSC（特别是E-MDSC和M-MDSC）如何通过代谢重编程，激活糖酵解、氧化磷酸化、氨基酸代谢和mTOR通路，促进细胞扩展，为肿瘤细胞提供高能量支持，促进肿瘤的生长和免疫逃逸。

4.发现MDSC招募与表观遗传调控之间的联系该研究提出，IDH-WT胶质母细胞瘤中的MDSC招募可能与IDH1/2突变所产生的2-羟基戊二酸（2-HG）引起的表观遗传调控变化相关，从而影响MDSC的招募和功能，揭示了表观遗传机制在肿瘤免疫微环境中的潜在作用。

5.E-MDSC和T4肿瘤细胞的共定位与配对受体-配体相互作用研究通过空间转录组学分析发现，E-MDSC与T4肿瘤细胞在IDH-WT胶质母细胞瘤的伪包围区有显著的共定位，揭示了肿瘤细胞通过化学因子招募和激活E-MDSC的机制，并进一步通过受体-配体相互作用支持肿瘤细胞的生长和侵袭。

6.MDSC标志物作为预后因子研究发现，E-MDSC、M-MDSC和T4肿瘤细胞的基因表达签名可以作为IDH-WT胶质母细胞瘤患者的独立预后因子，具有临床潜力，为进一步开发靶向免疫治疗提供了依据。

7.提出新的治疗靶点研究表明，E-MDSC、M-MDSC和T4肿瘤细胞的互作可能成为新的治疗靶点，尤其是在肿瘤免疫逃逸和免疫抑制机制的干预中。这为肿瘤免疫治疗的开发开辟了新的方向，尤其是针对肿瘤微环境中髓源细胞的免疫代谢干预。