脑膜是颅骨与大脑之间靠近颅骨的一层膜，脑膜瘤是最常见的原发性颅内肿瘤，占颅内肿瘤的15%-20%。因肿瘤膨胀性生长，造成局部压迫症状，脑膜瘤对人体的影响差别很大。有些脑膜瘤具有侵袭性，高级别脑膜瘤对所有的药物治疗均具有耐药性，且高级的脑膜瘤具有明显的肿瘤异质性。其异质性和进化机制尚不完全清楚。
2024年5月17日，加州大学圣弗朗西斯科分校的David R. Raleigh团队、芝加哥西北大学Amy B. Heimberger团队共同在Nature Genetics（IF30.8）上发表的题为“Spatial genomic, biochemical and cellular mechanisms underlying meningioma heterogeneity and evolution”的研究成果，利用单细胞测序和空间多组学等技术，阐述了肿瘤内异质性如何影响原发性颅内肿瘤的分子、时间和空间进化以及耐药性的新机制。
样本信息：9名患者身上切除了10个高级别脑膜瘤，收集了16个颅内样本和来自两个组织学定义的1级脑膜瘤样本
研究方法：单细胞测序、10×Visium HD空间转录组测序、空间蛋白质谱分析、靶向DNA测序、RNA测序等
原文链接：10.1038/s41588-024-01747-1
研究背景：肿瘤内异质性是癌症进化和治疗耐药性的基础，但驱动肿瘤内异质性的靶向机制尚不清楚
1. 不同的肿瘤内基因和蛋白表达程序
世界卫生组织根据组织学特征，如有丝分裂计数和脑侵袭，以及罕见的分子特征，来定义脑膜瘤级别。1级脑膜瘤可以通过手术或放疗进行有效治疗，2级及以上的脑膜瘤对治疗具有抵抗力，并导致严重的神经系统发病率和死亡率。
为了确定脑膜瘤瘤内异质性和进化的机制，本研究从9名患者身上切除了10个高级别脑膜瘤（称为M1-M10），收集了16个颅内样本进行临床、组织学和分子分析。对所有的脑膜瘤进行空间转录组和蛋白质组学分析，将高级脑膜瘤的结果与来自组织学定义的1级脑膜瘤的空间转录组进行比较，发现高级别脑膜瘤中存在不同的基因和蛋白表达程序。
图1 高级别脑膜瘤的区别在于肿瘤内不同的基因和蛋白表达程序
2.空间亚克隆拷贝数变异（CNV）、信号机制和细胞类型
高级别脑膜瘤的局部复发较为常见，并且复发是对标准干预措施有抵抗力的脑膜瘤患者死亡的主要原因。脑膜瘤对治疗产生耐药性的机制尚不清楚，为了解决这一问题，在组织学和分子分类系统的背景下，对经过放射治疗的原发性（M4-M7）和复发性（M4’-M7’）高级脑膜瘤配对进行了空间基因组、生化和细胞机制的研究（图2）。
图2 亚克隆 CNV 的空间扩张是高级别脑膜瘤复发的基础
组织学分析显示，与原发性脑膜瘤相比，成对的复发性脑膜瘤的WHO分级更高，Ki-67免疫染色也增加。空间投影验证了在复发性脑膜瘤中发现的CNV，但在来自配对样本的配对样本中未发现CNV。对脑膜瘤空间转录组进行多重序列免疫荧光和解旋显示，免疫浸润减少、MAPK信号传导减少、PI3K-AKT信号传导增加以及细胞增殖增加与脑膜瘤复发有关。复发性脑膜瘤具有不同的CNV和信号通路（图3）。
图3 免疫浸润减少、MAPK 信号传导减少、PI3K-AKT 信号传导增加和细胞增殖增加是高级别脑膜瘤复发的基础
3. 不同区域的亚克隆空间转录组、信号机制和细胞类型
高级别脑膜瘤可以是从低级别脑膜瘤进化而来，也可以是新生突变。因此，区域不同的的组织学和肿瘤内异质性可以影响脑膜瘤的分类。但与高级别脑膜瘤肿瘤内异质性相关的机制之间的同一性和空间关系尚不清楚。为了解决这个问题，对高级别脑膜瘤的空间基因组和细胞机制进行了研究，证明了区域不同的肿瘤内异质性（M9-M10）。结果发现，区域性异质性样本具有不同的基因表达程序，影响肿瘤分类。
图4 区域不同的亚克隆空间转录组是高级别脑膜瘤组织学异质性的基础
4. 克服肿瘤内异质性的个性化系统治疗
亚克隆进化是肿瘤复发和治疗耐药的基础，但缺乏肿瘤内异质性或响应治疗的肿瘤进化的临床前模型。为了将研究结果转化为临床前模型，研究人员使用CRISPR干扰和系谱追踪方法，确定了针对脑膜瘤细胞共培养中瘤内异质性的组合疗法。为了确定抑制高级别脑膜瘤瘤内异质性的药理学策略，将转导后细胞用荧光蛋白标记并组装成3D共培养物以用于活细胞显微镜检查。结果表面该系统可以实现药理策略的中等通路筛选，这些策略可能有助于治疗对标准干预措施耐药的肿瘤。
图5 用于测试个性化全身疗法以克服高级别脑膜瘤瘤内异质性的临床前模型
图6 实验设计及流程
综上，本研究采用了多种方法、包括空间转录组学和蛋白质组学等来识别将肿瘤内异质性与高级别脑膜瘤的分子、时间和空间进化联系起来的基因组、生化和细胞机制。研究表明，高级别脑膜瘤瘤内异质性的基因组、生化和细胞机制存在巨大差异。对原发性和复发性脑膜瘤配对的分析揭示了与治疗耐药性相关的亚克隆拷贝数变异的空间扩展。使用单细胞RNA测序的细胞类型，对脑膜瘤空间转录组进行多重序列免疫荧光和解旋显示，免疫浸润减少、MAPK信号传导减少、PI3K-AKT信号传导增加以及细胞增殖增加与脑膜瘤复发有关。