撰文：kinidu
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亮点
1、文章采用RNA测序、DNA甲基化分析、拷贝数变异识别、肿瘤系统发育生成、定量磁共振影像和组织病理学分析脑膜瘤的异质性，阐明脑膜瘤的生物驱动因素。
2、文章采用实时成像、单细胞RNA测序、CRISPR干扰和药理学技术，在与人大脑类器官三维共培养中探讨脑膜瘤的发生，提出CDH2和PTPRZ1基因在高ADC区富集，驱动脑膜瘤的发生，是治疗脑膜瘤的新分子靶点。
近日，美国加州大学旧金山分校的研究人员合作在《NatureCommunications》上发表了一篇名为“Multiplatformgenomicprofilingandmagneticresonanceimagingidentifymechanismsunderlyingintratumorheterogeneityinmeningioma”的文章。文中对来自13个人类脑膜瘤的86个空间差异样本进行多平台分子谱分析,研究了肿瘤内的异质性，发现磁共振成像上较高的表观扩散系数（ADC）可用于术前识别脑膜瘤中富集的细胞增殖区域。并且开发了脑膜瘤的人大脑类器官模型，并通过实时成像、单细胞RNA测序多种手段验证高ADC区域的CDH2和PTPRZ1基因作为脑膜瘤治疗的潜在靶点。这将有助于脑膜瘤治疗药物的开发。
脑膜瘤是中枢神经系统最常见的原发性肿瘤之一。世界卫生组织（WHO）将脑膜瘤分为3级。大多数脑膜瘤为I级，通常通过手术和放疗得到很好的控制。而高级别脑膜瘤，即II级（非典型）和III级（间变性），约占三分之一的病例，尽管有最佳的治疗，但经常复发。脑膜瘤患者的系统和分子治疗仍处于研究阶段，由于缺乏相关的模型系统和对脑膜瘤生物学的有限了解，新的治疗方法受到阻碍。因此，为了阐明脑膜瘤的生物驱动因素，确定脑膜瘤治疗的新靶点，本研究采用多平台基因组学、定量磁共振（MR）影像和组织病理学探究肿瘤内的异质性。并且，开发了脑膜瘤的人大脑类器官模型，通过实时成像、单细胞RNA测序、CRISPR干扰和药理学技术，与人类大脑类器官三维共培养中探讨脑膜瘤的肿瘤发生。这将有助于脑膜瘤治疗药物的开发。
首先本研究采用多种分析手段研究脑膜瘤的异质性。空间位置不同的脑膜瘤样本在基因表达上存在差异。对75份样本进行了RNA测序，使用主成分分析表征基因表达的方差（图1b）。发现每个脑膜瘤的样本主要集中在主成分空间，存在显著的瘤内异质性，在高级别脑膜瘤中异质性最为明显（图1c）。
不同空间的脑膜瘤样本的DNA甲基化模式也存在瘤内异质性。在对86个样本进行了K的DNA甲基化谱分析中，每个脑膜瘤的样本主要集中在主成分空间（图1d），高级别脑膜瘤样本的DNA甲基化分布在瘤内有显著的异质性（图1e）。与WHOI级脑膜瘤相比，高级别脑膜瘤具有显著的转录组和表观基因组瘤内异质性。
不同空间的脑膜瘤样本的拷贝数变异存在异质性。在86个样本的DNA甲基化谱中识别拷贝数变异中，在77%的样本中，最常见的变异是22q染色体丢失，其中包含肿瘤抑制基因NF2。在比较I级和高级别脑膜瘤时，发现高级别脑膜瘤中拷贝数变异数量增加，每个样本的方差也增加（图1f）。在对每个肿瘤进行三维建模，确定在立体定向空间的样本位置（图2a,d,g,j），并与CNV系统发育（图2b,e,h,k），RNA测序（图2c,f,i，和l），以及DNA甲基化谱进行比较中，发现I级脑膜瘤的个体在不同空间的样本中CNV分布是一致的，但在高级别脑膜瘤中CNV显示了显著的瘤内异质性（图2b、e、h和k）。
个体肿瘤样本的基因本体论分析确定了区分高级别脑膜瘤样本的分子途径，如免疫、炎症和神经元基因表达程序。这些表明染色体结构的改变是高级别脑膜瘤克隆转录和表观基因组特征的基础。
脑膜瘤的分子异质性可以通过术前磁共振成像来描述。在对86个不同空间位置的脑膜瘤样本进行术前MR图像共定位，对每个位置的ADC和CBF进行了量化（图3a）中，发现与I级脑膜瘤的空间差异样本相比，II级和III级脑膜瘤细胞结构特征的变异性更大，CBF也不均匀。基因本体学分析显示，高级别脑膜瘤的高ADC样本在Wnt、外胚层、多能性和神经嵴基因表达程序中富集（图3d），如CDH2（非规范Wnt信号和神经元的发展的调节物）和PTPRZ1（参与了胶质母细胞瘤细胞的侵袭和自我更新）。这些表明高ADC是高级别脑膜瘤的标志，且高ADC可区分脑膜瘤细胞增殖和肿瘤复发的发育基因表达富集的区域。
瘤内组织病理异质性可能受到脑膜瘤分子特征或细胞过程（如增殖）空间差异的影响。对来自5种不同级别脑膜瘤的13个空间确定的样本进行了FOXM1和Ki-67的HE染色和免疫荧光，结果显示肿瘤样品之间的组织病理学差异，来自单个脑膜瘤的空间定义样本之间也存在差异。
然后，为了在三维空间模拟癌细胞行为，阐明不同细胞群体在单个细胞水平上的相互作用，研究人员采用人类大脑类器官作为研究工具。该细胞模型由结构复杂的成人大脑中主要的细胞类型—星形胶质细胞组成，在高密度的类细胞器共培养中能够产生突触。共培养M10G和M13C脑膜瘤细胞和含有绿色荧光蛋白标记的人大脑类器官，通过实时成像，发现来自I级脑膜瘤的M10G细胞在脑类器官表面形成肿瘤球。相比之下,来自于脑侵入性III级脑膜瘤的M13C细胞，形成的肿瘤球侵犯了大脑类器官。并且，对单细胞RNA测序数据进行了差异表达分析，发现新型人类大脑器官模型再现了原发脑膜瘤样本空间上不同的基因表达程序（图3），提示该系统可能有助于脑膜瘤细胞增殖和肿瘤发生的机制研究。
最后，研究人员探讨了CDH2和PTPRZ1在驱动脑膜瘤的发生中的作用。将含有sgRNAs的慢病毒转染细胞，抑制CDH2和PTPRZ1，对Ki-67进行免疫荧光检测，发现CDH2和PTPRZ1的抑制均减弱了脑膜瘤细胞的增殖。CDH2小分子拮抗剂ADH-1在单培养条件下也抑制了M10G脑膜瘤细胞的增殖。在与人脑类器官共培养中也观察到同样现象。使用ADH-1处理来自其他来源样本中的原发脑膜瘤细胞，也抑制了所有原代脑膜瘤细胞的增殖和肿瘤发生。因此，确定在高ADC区域富集的CDH2和PTPRZ1基因，驱动脑膜瘤细胞增殖和肿瘤发生，是分子治疗脑膜瘤患者的新靶点。
为了阐明脑膜瘤的生物驱动因素，确定脑膜瘤治疗的新靶点，本研究采用RNA测序、DNA甲基化分析、拷贝数变异识别、肿瘤系统发育生成和定量磁共振（MR）影像和组织病理学研究肿瘤内的异质性，而异质性是肿瘤治疗耐药的一个重要来源。并且，开发了脑膜瘤的人大脑类器官模型，通过实时成像、单细胞RNA测序、CRISPR干扰和药理学与人类大脑类器官三维共培养中探讨脑膜瘤的肿瘤发生，确定高ADC区域的CDH2和PTPRZ1基因作为脑膜瘤治疗的潜在靶点。这将有助于脑膜瘤治疗药物的开发。
教授介绍
DavidR.Raleigh，美国加州大学旧金山分校，放射肿瘤科和神经外科助理教授。
其团队的研究重点是了解癌症易感综合征中肿瘤发生的基因组、生化和细胞驱动因素。除了阐明肿瘤是如何发展的，还阐明了与哺乳动物发展相关的通过Hedgehog途径和神经纤维瘤病肿瘤抑制子的基本信号机制，确定分子治疗和患者分层的新靶点。目前已在CancerDiscovery、NatureCommunications等杂志发表多篇高水平文章。
参考文献
Magill,S.T.,Vasudevan,H.N.,Seo,K.etal.Multiplatformgenomicprofilingandmagneticresonanceimagingidentifymechanismsunderlyingintratumorheterogeneityinmeningioma.NatCommun11,().
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