CosMx单细胞空间多组学揭示癌细胞空间同型“抱团”可抑制其向恶性演化

🧠 GBM肿瘤细胞状态与微环境的空间分析

研究人员利用CosMx单细胞空间转录组学技术，对16例异IDH野生型GBM的FFPE样本进行了单细胞分辨率的空间分析。其中8份样本采用了CoaMx 1K RNA检测试剂盒+64种蛋白质的检测试剂盒 (数据集1)；另8份样本采用了CoaMx 6K RNA检测试剂盒 (数据集2)，并对肿瘤组织进行恶性细胞和非恶性细胞分类。

• 根据特定代谢通路活性，将恶性细胞归为4种功能状态亚型：线粒体代谢状态 (MTC)、糖酵解/多代谢状态 (GPM)、神经增殖/祖细胞状态 (PPR)、分化神经元状态 (NEU)。

• 根据已知特异性基因注释，鉴定非恶性细胞。包括：胶质瘤相关髓系细胞 (GAMs)、内皮细胞和周细胞、T淋巴细胞、星形胶质细胞、神经元、少突胶质细胞及少突胶质细胞前体细胞 (OPCs)，并将髓系细胞进一步细分为巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞、经典树突状细胞 (cDC) 及脑驻留小胶质细胞。

  

🧠 通过聚集与分散的空间模式揭示功能性细胞状态

基于CosMx空间多组学数据所提供的的恶性与非恶性细胞类型的空间定位信息，研究人员进行了细胞邻域分析，来探究GBM细胞间相互作用，并寻找可能促进细胞聚集或分散的恶性细胞状态。

首先，研究人员为每种功能状态亚型的每个细胞计算肿瘤状态邻近度评分 (TSPS)，来反映同类细胞间的空间亲近度。在CosMx 1K数据中，PPR和GPM细胞具有较高的TSPS，表明这两种细胞类型通常形成密集聚集。相反，NEU和MTC细胞的TSPS值较低，这表明这些细胞状态具有分散的倾向。CosMx 6K数据分析也获得类似结果。

研究人员接着采用了一种整合的无监督计算方法，识别出转录组相似且空间邻近的组织域，并定义为空间加权表达域 (SWEDs)，实现了对肿瘤组织的无偏见的空间域划分。研究人员评估了GBM细胞状态亚型在各SWEDs中的富集情况。值得注意的是，在CosMx 6K和CosMx 1K数据集中，多数结构域均显著富集了聚集型GPM和PPR细胞。该发现表明无监督SWED与TSPS识别出的恶性细胞空间模式存在非随机对应关系，并证实了GPM和PPR细胞状态在胶质母细胞瘤中形成聚类空间构型的独特倾向。

🧠 GBM肿瘤细胞亚型的空间环境影响基因表达与功能

接下来，研究人员评估了GBM聚集型癌细胞与分散型癌细胞分子特征之间的对应关系。结果表明，PAN (泛神经元区) 中聚集的GPM细胞对缺氧环境产生强烈的基因表达反应。相反，非PAN区域聚集的GPM细胞则显示对活性氧 (GPX3、SOD2) 、细胞外基质和细胞粘附基因 (TIMP1、FN1) 的上调。而分散的GPM细胞发生的关键变化是与星形胶质细胞生成相关的标记物上调 (GFAP、AQP1/4、BCAN和HOPX)，以及神经胶质细胞谱系标记物 (SOX2、OLIG1) 的表达下调。

无论是否处于PAN区域，聚集的GPM细胞均保留了防止分散及向替代性神经胶质命运转化的功能特性。相反，分散型GPM细胞表现出细胞外基质与细胞黏附功能的减弱。

接下来，研究人员试图识别在聚集细胞和分散细胞中持续活跃的基因与通路。分析显示，细胞粘附是所有亚型中聚集细胞（而非分散细胞）激活程度最高的生物学过程 (例如PPR、GPM和MTC中的同型细胞间粘附)。分散细胞相较于聚集细胞上调的基因与通路既呈现亚型特异性特征 (如分散GPM中的胶质细胞分化、分散PPR中的血管生成、分散MTC中的外部刺激响应) 。

上述发现表明，GBM肿瘤细胞同型聚集能维持细胞状态，并与同型粘附激活相关。相反，细胞分散化则伴随细胞状态特征的减弱、亚型特异性特征的显现，以及对多种应激因子的适应性响应增强，可能与维持核心细胞功能和支持细胞存活相关。

🧠 从肿瘤核心向脑实质过渡区域的GBM神经元细胞表型

NEU细胞在胶质母细胞瘤细胞中占比相对较小，但近年来该亚型在肿瘤侵袭与复发中的重要性日益凸显。首先，研究人员聚焦于阐明肿瘤核心的NEU活动。部分基因在所有NEU细胞中表达稳定，另一些则随其特定空间构型发生变化。在聚集和分散的NEU细胞中活性相同的基因与神经元标志物相关。聚集的NEU细胞特异性上调细胞粘附分子和胶质前体细胞标记物，而分散型NEU细胞则显示生存与应激反应基因及迁移调控通路的表达上调。

🧠 在GBM实验模型中验证聚集机制与可塑性调控

研究人员进一步探究了胶质母细胞瘤恶性细胞的这些空间结构特征能否在小鼠模型中重现。为此，研究人员利用CosMx单细胞空间分子成像系统对两种胶质母细胞瘤小鼠模型 (hRAS-p53小鼠模型和PDX小鼠模型) 进行了检测和SWED分析。研究人员发现，与人类胶质母细胞瘤组织的研究结果一致，两种模型的小鼠胶质母细胞瘤SWED区域主要富集聚集型GPM和PPR细胞，其次是聚集型MTC和NEU细胞类型。通过比较分析聚类与分散型GBM肿瘤细胞特有的基因表达模式，发现同型细胞黏附是所有亚型聚集恶性细胞中激活的主要生物学过程。

🧠 同型聚集维持细胞身份，是防止肿瘤细胞可塑性的普遍机制

聚集的空间构型中细胞状态特异性标志物的活性高于分散肿瘤细胞，这表明分散可能削弱GBM肿瘤细的细胞身份强度。

此外，研究人员通过CosMx数据计算每个状态亚群中任意两细胞对的表达谱相关性，评估了不同空间排列下相同细胞状态细胞间的表型一致性。发现聚集亚群的成对相关系数始终高于分散细胞，表明聚集细胞在转录组层面更具同质性。

研究人员还尝试通过分析细胞状态和空间模式相关的生存概率及风险比，确定空间模式是否影响59例经临床注释的原发性与复发性GBM患者的预后。值得注意的是，分析发现仅GPM分散细胞显著增加了死亡风险和复发风险。这些数据确立了分散型GPM状态独特的预后相关性，该状态与最具侵袭性的临床特征相关。

🧠 通过CosMx单细胞空间蛋白表达技术捕捉胶质母细胞瘤亚型的空间模式

为利用CosMx空间蛋白质组学数据评估胶质母细胞瘤中恶性与非恶性细胞的空间结构，并通过基于蛋白质表达分类细胞的邻域分析估算了TSPS分布，并证实了基于RNA的细胞分类所观察到的差异性同型聚集现象：PPR和GPM的TSPS值显著高于MTC和NEU。最后，研究人员通过将Tweedie广义线性模型框架应用于相邻组织切片的空间转录组学和蛋白质组学数据，并计算两个数据集间模型推导系数的相关性，评估了跨模态肿瘤-微环境相互作用模式的一致性，进一步验证了转录组水平识别的肿瘤-微环境相互作用在蛋白质水平得以保留和重现。