Nature | 神經(jīng)膠質(zhì)瘤可重塑功能性神經(jīng)回路并影響患者生存

原創(chuàng)?Carlos?圖靈基因?2023-05-11 10:12?發(fā)表于江蘇

撰文：Carlos

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1辽社、作者證明了神經(jīng)膠質(zhì)瘤會重塑功能性神經(jīng)回路涌哲；

2炕檩、作者闡述了神經(jīng)膠質(zhì)瘤對神經(jīng)回路的重塑會對患者的生存和語言任務(wù)的表現(xiàn)產(chǎn)生影響。

美國加州大學(xué)舊金山分校的Shawn L. Hervey-Jumper教授課題組在國際知名期刊Nature在線發(fā)表了題為“Glioblastoma remodelling of human neural circuits decreases survival”的論文。膠質(zhì)瘤以突觸方式整合到神經(jīng)回路中地消。先前的研究表明棺亭，神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞之間存在雙向相互作用。作者利用清醒人類詞匯檢索語言任務(wù)期間的顱內(nèi)腦記錄贤旷，以及特定部位的腫瘤組織活檢和細胞生物學(xué)實驗，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)膠質(zhì)瘤重塑了功能性神經(jīng)回路砾脑，使任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)反應(yīng)激活了腫瘤浸潤的皮層幼驶。而作者還發(fā)現(xiàn)來自腫瘤和大腦其他部分之間表現(xiàn)出高度功能連接的區(qū)域的定點活檢富集了膠質(zhì)母細胞瘤亞群，該亞群表現(xiàn)出不同的促突觸和神經(jīng)營養(yǎng)表型韧衣。另外膠質(zhì)母細胞瘤和正常大腦之間的功能連接程度對患者的生存和語言任務(wù)的表現(xiàn)都有負面影響盅藻。

這些結(jié)果表明购桑，高級別膠質(zhì)瘤在功能上重塑了人腦中的神經(jīng)回路，這既促進了腫瘤的進展氏淑，又損害了認知勃蜘。

為了檢查膠質(zhì)母細胞瘤浸潤皮層的認知任務(wù)特異性神經(jīng)元活動，作者選擇了一組在外側(cè)前額葉皮層（LPFC）有皮質(zhì)投射腫瘤的成年患者假残。皮層電圖（ECoG）電極放置在腫瘤浸潤和正常出現(xiàn)的皮層上缭贡。結(jié)果高伽馬能帶范圍功率（HGp）與局部神經(jīng)元群體尖峰密切相關(guān)，并因皮層過度興奮而增加辉懒。

作者發(fā)現(xiàn)匀归，當患者清醒并說話時，記錄單個電極的HGp和組學(xué)水平分析耗帕。來自對照和非腫瘤條件的HGp數(shù)據(jù)證明了LPFC內(nèi)言語運動規(guī)劃的預(yù)期神經(jīng)時間過程穆端，與先前在非人類靈長類動物和人類中建立的言語啟動模型一致。接下來仿便，作者又進行了同樣的分析体啰，只關(guān)注腫瘤浸潤皮層的電極陣列記錄。與膠質(zhì)母細胞瘤-突觸整合可能導(dǎo)致生理失調(diào)的神經(jīng)反應(yīng)的理論相反嗽仪，在腫瘤浸潤皮層的整個區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)活動荒勇，包括通常與語音產(chǎn)生無關(guān)的皮層區(qū)域。這一顯著發(fā)現(xiàn)表明腫瘤誘導(dǎo)的語言回路功能重塑闻坚。

同時作者發(fā)現(xiàn)沽翔，在2-4級膠質(zhì)瘤亞型中，LPFC內(nèi)維持了言語啟動的任務(wù)特異性神經(jīng)元反應(yīng)窿凤。這些發(fā)現(xiàn)表明仅偎，受腫瘤影響的皮層內(nèi)的神經(jīng)元活動是有生理組織的，包括在通常參與語音產(chǎn)生的區(qū)域之外的區(qū)域中由語音任務(wù)引發(fā)的神經(jīng)活動雳殊。鑒于這一發(fā)現(xiàn)橘沥，作者研究了受腫瘤影響的皮層語言區(qū)域的神經(jīng)反應(yīng)量是否不同。結(jié)果表明膠質(zhì)母細胞瘤浸潤的皮層在語音產(chǎn)生過程中HGp增加夯秃，與超興奮性一致座咆。

作者使用邏輯回歸分類器來區(qū)分低頻和高頻單詞試驗條件，確定了來自正常出現(xiàn)和膠質(zhì)母細胞瘤浸潤皮層的神經(jīng)元信號的可解碼性仓洼。在低頻和高頻單詞試驗之間介陶，正常出現(xiàn)的皮層產(chǎn)生了高于機會的解碼。相反色建，膠質(zhì)母細胞瘤浸潤的皮層并沒有解碼單詞試驗哺呜。這些數(shù)據(jù)進一步表明，膠質(zhì)母細胞瘤浸潤到人類皮層镀岛，維持了任務(wù)特異性的神經(jīng)支配反應(yīng)弦牡，包括神經(jīng)元過度興奮，但受腫瘤影響的皮層失去了解碼復(fù)雜單詞條件的能力漂羊。

在證明了膠質(zhì)瘤重塑神經(jīng)回路后驾锰，作者接下來檢查了特定的分子定義的膠質(zhì)瘤細胞亞群是否影響腫瘤與神經(jīng)回路的功能整合。

為了對膠質(zhì)瘤內(nèi)的功能連接區(qū)域進行采樣走越，作者使用腦磁圖(MEG)測量了膠質(zhì)瘤浸潤性腦內(nèi)神經(jīng)元的振蕩椭豫，并在手術(shù)切除腫瘤期間采集了具有不同功能連接的原發(fā)患者膠質(zhì)母細胞瘤組織。在磁共振成像(MRI)上旨指，在對比度增強或T2/FLAIR高信號的腫瘤區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了與腫瘤浸潤性皮質(zhì)內(nèi)神經(jīng)元活動相關(guān)的瘤內(nèi)功能連接和高功能連接(HFC)體素赏酥。

為了研究功能連接、HFC和非功能連接的低功能連接(LFC)腫瘤區(qū)域之間的差異谆构，作者進行了批量和單細胞RNA測序分析裸扶。批量RNA-seq轉(zhuǎn)錄分析顯示，在HFC腫瘤區(qū)域搬素，與神經(jīng)回路組裝有關(guān)的基因上調(diào)呵晨，包括軸突尋路基因(NTNG1)、突觸相關(guān)基因和突觸生成因子熬尺，包括七倍上調(diào)的血栓反應(yīng)蛋白-1(THBS1摸屠，編碼TSP-1)。

THBS1編碼一種已知的由星形細胞在健康大腦中分泌的突觸生成因子粱哼。為了進一步探究細胞亞群對THBS1表達的影響季二，作者對HFC和LFC腫瘤區(qū)域的活檢樣本進行了單細胞測序分析。發(fā)現(xiàn)2.44%的腫瘤細胞表達THBS1揭措，并且與LFC腫瘤細胞相比胯舷，HFC腫瘤細胞表達更高水平的THBS1尝哆。在LFC區(qū)域樣本中识虚，THBS1的表達主要來源于非腫瘤星形膠質(zhì)細胞群體。這表明蛤织，在低連接的腫瘤內(nèi)區(qū)域內(nèi)艺挪，星形膠質(zhì)細胞主要表達THBS1不翩，而在HFC區(qū)域內(nèi)，除了星形膠質(zhì)細胞和髓細胞外麻裳，高級膠質(zhì)瘤細胞還表達THBS1口蝠，這可能促進觀察到的神經(jīng)回路重塑。

相關(guān)結(jié)果表明津坑，小膠質(zhì)細胞表面分子CD36和CD47可作為TSP-1受體發(fā)揮作用妙蔗。TSP-1的髓細胞表達表明，HFC區(qū)域腫瘤微環(huán)境中多種細胞類型可能有助于突觸連接的改變疆瑰。

通過使用HFC和LFC患者來源的膠質(zhì)母細胞瘤活檢組織的蛋白質(zhì)水平分析證實了HFC區(qū)域內(nèi)THBS1的表達升高眉反。與轉(zhuǎn)錄組學(xué)圖譜一致昙啄，免疫組織化學(xué)分析顯示HFC組織中TSP-1表達增加。免疫熒光和共聚焦顯微鏡分析證實寸五，惡性腫瘤細胞在HFC組織中表達TSP-1梳凛。

HFC區(qū)惡性腫瘤細胞亞群產(chǎn)生TSP-1的事實表明，HFC區(qū)腫瘤細胞促進突觸發(fā)生并進而促進連接的潛能不同梳杏，這與細胞亞群在異質(zhì)癌癥系統(tǒng)中發(fā)揮不同作用的癌癥生物學(xué)原理相一致韧拒。

作者接下來檢查與HFC相關(guān)的膠質(zhì)瘤細胞是否促進結(jié)構(gòu)性突觸的形成，類似于正常的星形細胞和某些星形細胞樣腦膠質(zhì)母細胞瘤細胞十性。

作者首先使用免疫組織化學(xué)和共聚焦顯微鏡分析了原發(fā)患者HFC和LFC區(qū)域的膠質(zhì)母細胞瘤活檢組織叛溢。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與LFC區(qū)相比，HFC區(qū)突觸前神經(jīng)元點狀突觸(突觸素-1)以及突觸后點狀密度和神經(jīng)元簇大小(PSD95+神經(jīng)絲+)增加劲适，突觸蛋白-PSD95點狀共存楷掉。這些數(shù)據(jù)表明膠質(zhì)母細胞瘤高連接區(qū)突觸穩(wěn)定性和/或突觸形成增加，支持TSP-1在膠質(zhì)瘤相關(guān)神經(jīng)回路重構(gòu)中的作用霞势。

隨后作者將HFC和LFC腫瘤區(qū)域的高級膠質(zhì)瘤細胞與小鼠海馬神經(jīng)元共同培養(yǎng)靖诗，以測試TSP-1高表達和TSP-1低表達的原發(fā)性患者衍生的膠質(zhì)瘤細胞對神經(jīng)元突觸連接的影響。結(jié)果表明支示，與LFC-神經(jīng)元共培養(yǎng)相比刊橘，HFC-神經(jīng)元共培養(yǎng)的神經(jīng)膠質(zhì)瘤和神經(jīng)元過程中的共定位點數(shù)量增加，表明HFC神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞在突觸發(fā)生中的作用颂鸿。

為了進一步研究從HFC和LFC區(qū)域分離的惡性亞群之間的功能差異促绵，作者在神經(jīng)元器質(zhì)模型中測試了神經(jīng)元-膠質(zhì)瘤的相互作用。

作者將HFC和LFC神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞與GFP標記的人腦膠質(zhì)瘤細胞共培養(yǎng)嘴纺，后者是從誘導(dǎo)的多能干細胞(IPS)細胞系中獲得的败晴，整合了強力霉素可誘導(dǎo)的人Ngn2轉(zhuǎn)基因，以驅(qū)動神經(jīng)元分化栽渴。對誘導(dǎo)神經(jīng)元細胞器中突觸后HOMER-1的定量顯示尖坤，與LFC膠質(zhì)瘤細胞相比，與HFC膠質(zhì)瘤細胞共培養(yǎng)時闲擦，突觸后點狀突觸密度相對增加慢味。

值得注意的是，在誘導(dǎo)神經(jīng)元-LFC共培養(yǎng)中外源性給予TSP-1逆轉(zhuǎn)了這一表型墅冷，并促進了LFC膠質(zhì)瘤與神經(jīng)元器質(zhì)的牢固整合纯路，進一步暗示TSP-1參與了神經(jīng)元-膠質(zhì)瘤的相互作用。

用多電極陣列(MEA)電生理學(xué)方法分析TSP-1高表達細胞與神經(jīng)元共培養(yǎng)的電物理特性寞忿。共培養(yǎng)48h后驰唬，皮層神經(jīng)元與TSP-1高表達的HFC細胞共培養(yǎng)的網(wǎng)絡(luò)爆發(fā)總數(shù)較單獨培養(yǎng)或LFC共培養(yǎng)條件下的皮層神經(jīng)元增加。結(jié)果表明：膠質(zhì)瘤表現(xiàn)出腫瘤內(nèi)的異質(zhì)性，腫瘤細胞亞群承擔特殊的角色叫编。

上述結(jié)果表明辖佣，在腦回路正常的膠質(zhì)母細胞瘤中，功能整合的局部性異質(zhì)性搓逾，并提示在HFC的腫瘤內(nèi)區(qū)卷谈，存在一個具有突觸發(fā)生特性的腫瘤亞群。

接下來恃逻，作者研究了TSP-1高表達的HFC膠質(zhì)瘤細胞浸潤性小鼠腦內(nèi)的結(jié)構(gòu)突觸。結(jié)果顯示藕施，HFC膠質(zhì)瘤移植瘤的突觸總數(shù)顯著高于LFC膠質(zhì)瘤移植瘤寇损，進一步表明從HFC患者腫瘤區(qū)域分離的膠質(zhì)瘤細胞具有更大的突觸生成潛力。

作者發(fā)現(xiàn)裳食，來自HFC和LFC區(qū)域的原發(fā)患者活檢組織顯示HFC區(qū)域Ki-67增殖標記染色增加矛市。為了檢測HFC細胞對神經(jīng)因子的反應(yīng)是否與LFC原代培養(yǎng)的細胞相比有變化，患者來源的HFC細胞和LFC細胞單獨培養(yǎng)或與小鼠海馬神經(jīng)元共同培養(yǎng)诲祸，用EdU處理過夜浊吏。HFC膠質(zhì)瘤細胞在與神經(jīng)元一起培養(yǎng)時，增殖能力增加了5倍救氯。相比之下找田，LFC膠質(zhì)瘤體外細胞增殖指數(shù)與體外培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元和不表達EDU的細胞相似。

這些結(jié)果表明着憨，HFC細胞的增殖能力取決于神經(jīng)元分泌因子的存在墩衙，在缺乏神經(jīng)元信號的情況下，它們往往會獲得休眠的腫瘤表型甲抖。

作者接下來使用球形侵襲試驗測試了神經(jīng)元條件培養(yǎng)液對HFC和LFC膠質(zhì)瘤細胞侵襲的影響漆改。有無神經(jīng)元條件培養(yǎng)液對LFC膠質(zhì)瘤細胞的球體體積無明顯影響，但HFC膠質(zhì)瘤細胞對神經(jīng)元條件培養(yǎng)液的侵襲面積增加准谚。除了侵襲面積增加外挫剑，HFC膠質(zhì)瘤細胞還延長了代表腫瘤微管的長突起，以回應(yīng)神經(jīng)元條件培養(yǎng)液柱衔。

在有或無神經(jīng)元條件培養(yǎng)液的情況下樊破，對TSP-1高表達的HFC和LFC細胞進行掃描電子顯微鏡(SEM)，顯示連接HFC細胞的細胞質(zhì)延伸唆铐。作者還對平均球體體積的變化進行了量化捶码，發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元條件培養(yǎng)液增加了HFC的侵襲力和微管長度或链，但不增加LFC細胞的長度惫恼。

原代患者來源的HFC細胞然后用shRNA對照或針對THBS1的shRNA進行轉(zhuǎn)導(dǎo)，以敲低TSP-1澳盐。與對照條件相比祈纯，HFC細胞中THBS1的敲除減少了腫瘤微管的數(shù)量令宿，這與TSP-1在腫瘤微管形成中的已知作用一致。

作者對患者來源的HFC或LFC膠質(zhì)瘤細胞進行了原位異種移植的小鼠的存活研究腕窥。與LFC腫瘤異種移植小鼠相比粒没，攜帶HFC腫瘤的小鼠表現(xiàn)出更大的腫瘤負擔和更短的生存時間。

綜上所述簇爆，這些結(jié)果表明癞松，對于對神經(jīng)元信號有不同反應(yīng)的腫瘤細胞群來說，功能連接的腫瘤內(nèi)區(qū)域得到了豐富入蛆，并在神經(jīng)元微環(huán)境中表現(xiàn)出增殖响蓉、侵襲和整合的表型，這對臨床前模型中的生存產(chǎn)生了負面影響哨毁。

作者對新診斷的膠質(zhì)母細胞瘤患者進行了人類生存分析枫甲。在控制了已知的與生存率相關(guān)條件后，使用MEG在腫瘤浸潤的大腦中測量神經(jīng)振蕩和功能連接扼褪。Kaplan–Meier生存分析顯示想幻，有功能連接的患者的總生存期為71周，而沒有HFC體素的參與者的總生存率為123周话浇，這表明腫瘤的生存期和功能連接之間存在顯著的反比關(guān)系脏毯。

作者接下來使用partDSA算法進行遞歸分割生存分析。第一個劃分是基于已知的風險因素幔崖，如年齡和腫瘤切除的程度抄沮。在這種分層劃分模型中，連通度被確定為第二個最重要的變量岖瑰，它將風險組2和3劃分開來叛买。風險組1（黑人）的預(yù)后最差，是72歲以上或任何年齡段腫瘤切除率低于97%的患者的組合（次全切除）蹋订。風險組3（灰色）的存活率最高率挣，這些患者年齡小于62歲，腫瘤切除率超過97%露戒，腫瘤缺乏功能連接椒功。中等風險組2（紅色）揭示了年齡和氫氟碳化合物之間有趣的相互作用。該組有兩個亞群：腫瘤切除率超過97%且年齡小于72歲且具有腫瘤內(nèi)連接的患者智什；以及62至72歲之間沒有功能整合的患者动漾。這些結(jié)果證明了功能連接對生存率的顯著預(yù)測價值。

作者檢測了TSP-1荠锭，結(jié)果顯示患者血清中的循環(huán)TSP-1水平與腫瘤內(nèi)功能連接呈顯著的正相關(guān)旱眯。在優(yōu)勢半球膠質(zhì)母細胞瘤患者隊列中進行了視覺圖片和聽覺命名測試。腫瘤內(nèi)HFC體素數(shù)量與語言任務(wù)表現(xiàn)的線性回歸表明，語言認知表現(xiàn)與腫瘤功能連接之間呈反比關(guān)系删豺。這些發(fā)現(xiàn)表明共虑，膠質(zhì)母細胞瘤與神經(jīng)回路的功能整合會對認知和生存產(chǎn)生負面影響。

最后作者靶向TSP-1呀页，阻斷血栓反應(yīng)蛋白受體α2δ-1妈拌。在神經(jīng)元-膠質(zhì)瘤共培養(yǎng)中，單獨的棘波蓬蝶、爆發(fā)(棘簇)和同步網(wǎng)絡(luò)爆發(fā)在GBP作用24-48小時后減少尘分。

原代患者來源的HFC細胞用shRNA對照或針對THBS1的shRNA進行轉(zhuǎn)導(dǎo)，或用GBP處理丸氛。使用GBP的TSP-1抑制不影響單獨培養(yǎng)的HFC細胞的增殖培愁，證實GBP沒有腫瘤細胞的內(nèi)在效應(yīng)。對攜帶HFC患者來源的PDX小鼠給予GBP導(dǎo)致攜帶HFC異種移植的GBP治療的小鼠的膠質(zhì)瘤增殖顯著低于賦形劑治療的對照組雪位。

教授介紹

Shawn L. Hervey-Jumper博士是神經(jīng)腫瘤學(xué)會竭钝、美國癌癥研究協(xié)會梨撞、北美顱底學(xué)會雹洗、美國神經(jīng)外科醫(yī)生協(xié)會（AANS）和神經(jīng)外科醫(yī)生大會（CNS）的成員，加州大學(xué)舊金山分校神經(jīng)外科副教授卧波。同時Hervey Jumper是一名神經(jīng)外科醫(yī)生时肿，專門治療腦腫瘤患者，包括低級別和高級別膠質(zhì)瘤港粱、腦膜瘤螃成、腦轉(zhuǎn)移和神經(jīng)皮膚綜合征。Hervey Jumper的研究探明了腦腫瘤如何侵犯大腦中影響我們移動查坪、說話和思考的重要區(qū)域寸宏。他還探索了促進大腦恢復(fù)和修復(fù)的策略。此外偿曙，他還研究了在手術(shù)過程中繪制人腦地圖的方法氮凝，目的是將損傷限制在關(guān)鍵功能區(qū)域。

參考文獻

Krishna S, Choudhury A, Keough MB, et al.?Glioblastoma remodelling of human neural circuits decreases survival.Nature.2023;https://doi.org/10.1038/s41586-023-06036-1