Cancer Cell | 卞修武院士/时雨/平轶芳团队揭示胶质瘤巨噬细胞研究全新视角

胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）作为最常见的恶性脑肿瘤之一，其肿瘤微环境高度复杂且侵袭性极强。肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）在胶质瘤发展和免疫抑制中扮演着关键角色，尽管靶向TAMs的治疗策略已经取得了一定的进展，但由于TAM亚群内部的高度异质性和可塑性，这些策略在临床试验中无法得到充分证实。解析胶质母细胞瘤中TAMs的异质性是理解复杂肿瘤微环境的关键一步。

来自陆军军医大学西南医院的团队在《Cancer Cell》（IF=48.8）发表的一项题为“Identification of hypoxic macrophages in glioblastoma with therapeutic potential for vasculature normalization”的研究采用了单细胞测序、空间转录组、空间单细胞蛋白组等多种技术发现了缺氧相关的TAM亚群在药物输送过程中的不良作用，为理解和治疗胶质母细胞瘤提供了新的视角。

01 单细胞测序解析TAM亚群

为解析脑胶质瘤免疫微环境组成，研究人员使用单细胞测序分析了51位患者的胶质母细胞瘤样本。识别出了5个髓系细胞的亚群，其中Mo-TAM亚群在GBM-IDHwt中比例高于Astro-IDHmut和Oligo-IDHmut（图1A-C）。为了确定弥漫性胶质瘤中Mo-TAM簇的异质性，研究人员对其进行深入分型，鉴定出6个具有不同分子特征的亚群。其中Hypoxia-TAM表现出明显的缺氧反应程序，特征是缺氧反应基因上调，糖酵解增强和促进血管生成的特征，Chemo-TAM集群以参与细胞迁移和白细胞趋化的基因模块为特征，其他每种集群均有其特征反应（图1D）。这些结果提供了胶质瘤TAM异质性的证据。同时研究人员结合临床队列对患者总生存率进行分析，结果显示Hypoxia-TAM比例可以有效的对患者进行预后，同时可以作为独立的评估因素（图1F）。

图1单细胞测序精准分型

02 空间组学绘制TAM亚群组织定位

为了从空间上解释Mo-TAM的异质性，研究人员在不同组织学区域分析了Mo-TAM亚型的分布情况。Hypoxia-TAM优先定位于坏死周围区域，IFN-TAM在血管周围比例较高，Ribo-TAM和Phago/AP-TAM在浸润肿瘤区域轻度升高（图2A）。为了更加直观的描述Mo-TAM的空间异质性，研究人员分析了公开的GBM的空间转录组数据集，并将Mo-TAM的转录模式与组织学定位进行了整合，直观的绘制了Mo-TAM的空间异质性（图2B）。研究人员根据组织的缺氧情况划分出多个缺氧区域，有趣的是其他细胞都伴随着缺氧梯度的增加而下降，但Hypoxia-TAM比例伴随着缺氧梯度增加而上升（图2C）。最终研究人员通过对Mo-TAM的空间单细胞蛋白分析，证实了Hypoxia-TAM与GBM组织中坏死区域的接近（图2D）。

图2空间组学绘制细胞定位

03 肿瘤分泌因子结合缺氧环境促进Mo-TAM极化

为确定低氧环境对TAM的影响，研究人员构建了肿瘤细胞条件培养基+体外低氧模型，在低氧诱导下人外周血单个核细胞、U937细胞、小鼠髓源巨噬细胞中与Hypoxia-TAM相关的缺氧基因表达上调（图3A-B）。为了揭示缺氧肿瘤环境对Mo-TAM的表型改变，研究人员筛选了缺氧正负相关基因，并绘制了缺氧相关基因相互作用网络（图3C）。通过以上分析，研究人员确定肿瘤细胞分泌的因子和低氧条件共同诱导Hypoxia-TAM表型的获得。为了揭示介导TAM极化的细胞通路，研究人员对高活性评分的转录因子（TF）和缺氧反应数据集进行筛选，确定p50、HIF1α和c-Jun是调节Hypoxia-TAM特征的核心TF。p50（NFKB1）的阻断显著降低了Hypoxia-TAM特征基因的表达（图3D-E），这些发现表明，肿瘤细胞产生的因子和缺氧环境通过激活p50共同促进了Hypoxia-TAM的极化。

图3 缺氧肿瘤环境促进TAM极化

04 Hypoxia-TAM降低血管完整性，破坏内皮细胞连接

研究人员进一步分析了Hypoxia-TAM在缺氧生态位中的功能意义。从空间位置上看，Hypoxia-TAM位于GBM坏死周围区，该区域微血管丰富。研究人员使用单细胞测序数据进行分析，确定Hypoxia-TAM在调节血管完整性和发育的途径中富集（图4A），多数据集联合显示ADM是唯一的候选基因（图4B）。通过动物模型发现，敲除ADM后肿瘤血管完整性得到恢复，内皮细胞间距离减少。这些结果表明Hypoxia-TAM通过分泌ADM，破坏内皮细胞的粘附连接，导致了肿瘤血管渗透性增加，最终破坏肿瘤血管系统（图4C-E）。同时研究者还关注了ADM损害内皮粘附连接的机制，通过条件处理人脑微血管内皮细胞（HBMECs）以及对GBM单细胞数据的分析，研究人员最终确定了，Hypoxia-TAM分泌的ADM激活ECs中的CRLR信号，从而破坏VE-cadherin介导的粘附连接（图4F）。

图4 ADM介导血管通透和内皮黏附

05 AMA改善血管完整性促进药物递送

研究人员接着评估了ADM拮抗剂（AMA）是否可以恢复肿瘤血管的完整性，在动物模型中，AMA恢复了VE-cadherin的表达，保留了内皮连接（图5A）。同时研究人员分析了AMA对于药物传递的作用，与对照组相比，AMA处理后缺氧区域大幅度减少，同时阿霉素灌注区域明显增加（图5B）。AMA对于药物递送的正向作用促使研究人员进一步对其联合治疗的可能性进行探究。在异种移植小鼠模型中，联合治疗小鼠显示出了更长的生存期和更小的肿瘤负担（图5C-D），以上结果对于AMA作为血管正常剂来改善抗肿瘤药物递送提供了临床前证据。

图5 AMA改善血管完整性促进药物递送

总结与讨论

肿瘤相关巨噬细胞（TAM）已经成为肿瘤研究领域的明星细胞，本文不仅利用单细胞测序技术对TAMs进行了细致的功能分群，还通过空间组学技术精准定位了6种Mo-TAMs的空间分布，尤其是发现了位于坏死周围区域的Hypoxia-TAM亚群。空间组学发现了Hypoxia-TAM与肿瘤血管之间特殊的空间关系，为深入探究细胞机制提供了新的视角。这项研究不仅增进了我们对肿瘤微环境中TAM的理解，而且为胶质母细胞瘤的治疗提供了新的策略和潜在的靶点。

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相关文献

Wang W, Li T, Cheng Y, et al. Identification of hypoxic macrophages in glioblastoma with therapeutic potential for vasculature normalization. Cancer Cell. 2024 ;42(5):815-832.e12.