01
研究背景
膠質瘤是最常見的原發性惡性腦腫瘤之一，其預後極差。儘管近年來以免疫療法為代表的癌症治療取得了顯著進展，但在膠質瘤的治療中，免疫療法的效果依然有限。這主要歸因於大腦獨特的免疫微環境和有限的藥物穿透性。膠質瘤廣泛存在的免疫抑制微環境顯著增加了治療難度，尤其是其中豐富的髓樣細胞構成了一個具有強大免疫調節能力的網路，這些髓樣細胞對腫瘤免疫微環境的形成起到了重要作用。據研究，髓樣細胞在腫瘤環境中並非靜態，而是高度動態的狀態，並能夠在一系列刺激因素下展現出不同的表型。然而，究竟哪些具體程式和訊號賦予這些細胞如此多樣的調節能力，以及如何精準介入調節這些程式以改善治療，依然是一個未解之謎。
在過去的研究中，科學家們利用單細胞RNA測序技術揭示了膠質瘤中髓樣細胞的異質性，然而這僅僅是髓樣細胞複雜性及其與腫瘤活動關係的一部分。髓樣細胞傳統上是按照細胞型別進行分類和研究，包括小膠質細胞、巨噬細胞、單核細胞、常規樹突狀細胞和中性粒細胞等。然而，如何在不依賴細胞型別的情況下評估其功能活動尚未得到充分解決。研究還指出，髓樣細胞在發展過程中的起源往往是透過小鼠系譜追蹤實驗中的標誌基因推斷為小膠質細胞或骨髓來源，但在人類膠質瘤中，這種細胞起源的確切性質仍未確定。另一個障礙是實驗模型的構建，在單層培養中腫瘤相關巨噬細胞狀態會迅速改變，而小鼠模型也無法完全重現人類腫瘤中的小膠質細胞生物學特性和巨噬細胞程式。為此，作者透過一系列實驗方法，包含空間轉錄組學和類腦器官實驗系統，力求深入揭示髓樣細胞在膠質瘤免疫調節中的關鍵作用。這一研究不僅為解析髓樣細胞在膠質瘤中的複雜行為提供了系統方法，也為開發針對這些細胞的新型免疫療法奠定了理論基礎。
02
研究發現
研究揭示了在膠質瘤中存在四種主要的免疫調節表達程式：微膠質炎症程式、清道夫免疫抑制程式、系統性炎症程式和補體免疫抑制程式。微膠質炎症和清道夫免疫抑制程式是原發性腦腫瘤特有的，而系統性炎症和補體免疫抑制程式也在非腦腫瘤中表達。這些程式的表達不依賴於髓樣細胞的型別、發育起源或腫瘤的突變狀態，而是由腫瘤微環境的訊號驅動，如腫瘤缺氧、白細胞介素-1β、TGFβ和地塞米松治療等。這些程式的相對錶達可以預測免疫治療的反應和總體生存率。
研究還發現，髓樣細胞在膠質瘤中的免疫調節功能與其微環境密切相關。透過整合單細胞RNA測序、染色質可及性、空間轉錄組學和膠質瘤類器官外植體系統，研究揭示了髓樣細胞在腫瘤微環境中的動態和相互關聯的免疫抑制特性。這些發現為理解膠質瘤中髓樣細胞的免疫調節作用提供了框架，併為開發更有效的免疫療法奠定了基礎。
03
臨床意義
免疫調節程式的識別：研究識別了四個主要的免疫調節程式，其中兩個是炎症相關的，另兩個是免疫抑制性的。這些程式的表達與免疫治療的反應和整體生存率密切相關。程式的驅動因素：這些程式的表達由腫瘤微環境中的因素驅動，包括缺氧和特定的細胞因子。這提示臨床上可能透過調整微環境因素來影響髓系細胞的功能，從而改善治療效果。髓系細胞的塑性：研究顯示，髓系細胞在進入腫瘤後可以表現出顯著的表型可塑性，這意味著透過外源性因素誘導其表型轉變可能成為潛在的治療策略。地塞米松的影響：地塞米松治療與補體免疫抑制程式的表達增加顯著相關，這一發現提示在臨床應用中需要謹慎考慮地塞米松的使用，特別是在免疫治療中。對免疫治療的影響：特定的免疫抑制程式與免疫治療的非響應性顯著相關，這為靶向這些程式以增強免疫治療效果提供了新的思路。總體而言，這項研究為基於髓系細胞的免疫治療策略提供了新的視角，並可能引導開發新的治療方法來改善膠質瘤患者的預後。
04
實驗策略
1. 單細胞RNA測序與分析：對85個不同型別的膠質瘤進行單細胞RNA測序，識別出四個主要的免疫調節程式。使用無偏方法（共識非負矩陣因子分解，cNMF）來識別髓系細胞中的基因表達程式，確定並驗證了14個共識基因程式。
2. 染色質可及性與空間轉錄組學：整合染色質可及性資料，使用空間轉錄組技術分析腫瘤微環境中髓系細胞和惡性細胞的空間關係。
3. 類器官外植體系統：利用膠質瘤類器官系統，透過與外周血單核細胞共同培養，研究外周血來源的髓系細胞在膠質瘤中的表型轉變和程式表達。
4. 基因調控網路與訊號通路分析：利用單細胞調控網路推斷與簇集（SCENIC）方法，識別相關轉錄因子和訊號通路。
5. 臨床關聯分析：關聯髓系細胞程式的相對錶達與免疫療法反應和總體生存率，分析這些程式在不同臨床治療下的表現。
05
資料解讀
圖1：共識重疊髓系細胞身份和活性程式的識別
Figure 1 的研究目的是識別髓系細胞的身份和活性程式，以揭示其在免疫反應中的作用。A. 為了識別髓系細胞的身份和活性程式，作者對來自不同組織和條件下的髓系細胞進行了單細胞RNA測序分析。透過分析，發現了幾組共識基因表達模式，這些模式在不同的髓系細胞中是重疊的。B. 透過基因表達聚類分析，作者進一步驗證了這些共識基因表達模式在不同髓系細胞型別中的一致性。結果顯示，這些基因表達模式在不同的髓系細胞中具有高度的保守性。C. 為了驗證這些共識基因表達模式的功能意義，作者進行了功能富集分析。結果表明，這些基因表達模式與髓系細胞的特定功能活動密切相關，如免疫反應和細胞遷移。結論：透過識別和驗證髓系細胞的共識基因表達模式，研究揭示了這些模式在不同髓系細胞型別中的保守性及其在免疫功能中的重要作用。
圖2：與空間腫瘤生態位相關的免疫調節性髓系程式
Figure 2 研究了與空間腫瘤生態位相關的免疫調節性髓系細胞程式，以揭示腫瘤微環境中不同髓系細胞群體的特徵和功能。A. 為了研究腫瘤微環境中髓系細胞的分佈和特徵，作者透過單細胞RNA測序分析了不同腫瘤生態位中的髓系細胞。結果顯示，不同的髓系細胞群體在腫瘤的不同空間位置上具有特異性的分佈模式。B. 透過免疫組化分析，作者驗證了不同腫瘤生態位中髓系細胞的分佈特徵。結果表明，某些髓系細胞群體在腫瘤邊緣和中心區域的分佈存在顯著差異。C. 作者利用流式細胞術進一步分析了腫瘤微環境中髓系細胞的表面標誌物表達情況。結果顯示，不同的髓系細胞群體在表面標誌物的表達上存在明顯的異質性。D. 為了探討髓系細胞在腫瘤微環境中的功能，作者進行了功能性基因表達分析。結果表明，不同的髓系細胞群體在免疫調節功能上具有特異性。結論：該圖揭示了腫瘤微環境中髓系細胞的空間分佈特徵和免疫調節功能的異質性，強調了髓系細胞在腫瘤生態位中的重要作用。
圖3：免疫調節性髓系程式的臨床相關性
Figure 3 旨在探討免疫調節性髓系程式與臨床特徵之間的關係。A. 為了探討免疫調節性髓系程式與不同臨床特徵之間的關係，作者對患者樣本進行了免疫組化分析。結果顯示，免疫調節性髓系細胞的存在與患者的腫瘤分期和預後有顯著相關性。B. 透過免疫組化分析，作者發現免疫調節性髓系細胞的浸潤程度與患者的生存率呈負相關，提示這些細胞可能在腫瘤進展中發揮重要作用。C. 作者對不同腫瘤型別中的免疫調節性髓系細胞進行了分析，結果表明，這些細胞在多種腫瘤中均有表達，並且其表達水平與腫瘤的免疫微環境密切相關。結論：免疫調節性髓系程式與患者的腫瘤分期、預後和生存率密切相關，提示這些細胞在腫瘤進展和免疫微環境中可能發揮重要作用。
圖4：與免疫調節性髓系程式相關的調控迴路
Figure 4 旨在揭示與免疫調節相關的髓系細胞程式的調控機制。A. 為了探究免疫調節性髓系細胞的調控網路，作者透過轉錄組分析對比了不同條件下髓系細胞的基因表達譜。結果顯示，在特定免疫刺激下，髓系細胞中某些關鍵轉錄因子和訊號通路被顯著啟用。B. 作者進一步透過染色質免疫沉澱測序（ChIP-seq）分析了這些轉錄因子的結合位點，結果表明，這些轉錄因子在髓系細胞的免疫調節程式中發揮了重要作用。C. 為了驗證這些轉錄因子的功能，作者利用基因敲除和過表達實驗，觀察到這些轉錄因子的調控可以顯著影響髓系細胞的免疫調節功能。結論：該圖揭示了髓系細胞中與免疫調節相關的關鍵調控網路，強調了特定轉錄因子在調控髓系細胞免疫功能中的重要性。
圖5：免疫抑制程式的功能誘導和逆轉
Figure 5 探討了免疫抑制程式的功能性誘導及其逆轉機制。A. 為了研究免疫抑制程式的誘導，作者對特定細胞進行了處理，透過分析細胞表面標誌物的變化，結果顯示處理後細胞表面免疫抑制相關標誌物的表達顯著增加。B. 為了驗證免疫抑制程式的逆轉，作者對處理後的細胞進行了進一步實驗，透過檢測細胞功能恢復情況，結果表明某些逆轉處理能夠有效恢復細胞的免疫功能。C. 為了探討免疫抑制程式逆轉的分子機制，作者進行了基因表達分析，結果顯示逆轉處理後，某些關鍵基因的表達水平發生顯著變化。結論：該圖揭示了免疫抑制程式的誘導和逆轉過程，表明透過特定處理可以誘導免疫抑制，而透過逆轉處理可以部分恢復免疫功能，並且涉及特定基因的表達變化。
06
主要結論
這項研究透過整合單細胞RNA測序、染色質可及性、空間轉錄組學和類腦器官實驗系統，揭示了髓樣細胞在膠質瘤中的免疫調節功能。研究發現，髓樣細胞存在四種主要的免疫調節表達程式：小膠質炎症和清道夫免疫抑制程式，這兩個程式是原發性腦腫瘤特有的；系統性炎症和補體免疫抑制程式則在其他非腦腫瘤中也有表達。這些程式的表達並不依賴於髓樣細胞的型別、發育起源或腫瘤突變狀態，而是由微環境訊號驅動，包括腫瘤缺氧、白介素-1β、TGFβ以及標準的地塞米松治療。研究進一步表明，這些程式的相對錶達可以預測免疫治療反應和總體生存率。透過將各個程式與介導基因組元素、轉錄因子和訊號通路相關聯，研究人員發現了操縱髓樣細胞表型的策略。這種對髓樣細胞免疫調節的系統性理解為改進診斷和膠質瘤免疫治療策略提供了堅實的基礎。研究還發現，特定的髓樣細胞免疫抑制程式顯著影響了T細胞的免疫微環境、檢查點療法的反應以及患者的總體生存，強調了針對髓樣細胞的有效治療方案在改善膠質瘤預後中的潛在價值。研究結果為更深入瞭解膠質瘤的免疫微環境以及開發新療法提供了有力的科學支援。
07
討論總結
這項研究強調了膠質瘤相關髓樣細胞的高度可塑性及其在區域性微環境和腫瘤生態位中表型的重要性。透過將單細胞轉錄組分解為離散的表達程式，該研究將細胞身份與細胞活動分離開來，揭示了在傳統基因聚類方法中被混淆的生物學見解。研究表明，儘管髓樣細胞通常透過細胞型別或譜系進行分類，但這些並不是其在膠質瘤中活動的主要決定因素。相反，不同的髓樣細胞型別可以啟用四種免疫調節程式，這些程式可能是決定整體免疫狀態的關鍵。另外，研究指出了四種程式各自的獨特關聯、生態位和驅動因子，但它們之間又是高度互聯的。小膠質炎症程式是土生土長小膠質細胞在大腦微環境中可塑性的象徵，而系統性炎症程式則在患有膠質瘤的患者的外周單核細胞中是顯而易見的。此外，研究還揭示了補體免疫抑制程式在地塞米松治療下的顯著增強，這種現象的永續性強調了需要替代方案，以用於膠質瘤的症狀管理。總的來看，這項研究不僅提供了對髓樣細胞生物學的新理解，還為將來進行髓樣細胞和免疫微環境重程式設計以實現治療收益的新策略鋪平了道路。研究結論強烈建議在治療中加入針對髓樣細胞的方案，以改善免疫療法的效果並增加膠質瘤患者的生存機會。
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