整合电生理和基因组分析揭示人类胶质瘤中会产生动作电位的肿瘤细胞

背景与研究目的

胶质瘤是中枢神经系统中最常见的恶性肿瘤，每年约有20,000例新增病例。这类肿瘤包括异柠檬酸脱氢酶（Isocitrate Dehydrogenase，简称IDH）突变（IDHmut）和IDH野生型（IDHwt）两种亚型。IDHwt胶质瘤通常预后较差，中位生存期不到14个月；相比之下，IDHmut胶质瘤的患者生存期更长。近年来，癌症神经科学的发展揭示了肿瘤细胞与神经元之间的互动在肿瘤进展中起到的关键作用，但肿瘤细胞本身的电生理特性在肿瘤组织中的具体表现尚不清楚。

本研究由Baylor College of Medicine等多个研究机构的Rachel N. Curry等科学家们主导，研究团队结合电生理学和单细胞基因组学技术，通过“贴片测序”（Patch-seq）技术，对人类胶质瘤样本进行了深入分析。研究目标是识别肿瘤细胞是否具备类似神经元的动作电位发放（AP）特性，分析它们的基因表达特征，并探讨这种特性是否在肿瘤和非肿瘤组织中均有存在。

研究来源

这项研究发表在《Cancer Cell》期刊的2024年10月14日刊，论文题为“Integrated Electrophysiological and Genomic Profiles of Single Cells Reveal Spiking Tumor Cells in Human Glioma”。论文的主要作者包括Rachel N. Curry、Qianqian Ma等，研究团队隶属于Baylor College of Medicine及德州儿童医院等多个研究机构。研究团队希望通过揭示肿瘤细胞在体内的电生理活动，为胶质瘤的诊断与治疗提供新视角。

研究流程

实验设计与流程

1. 样本收集与初步分类
   研究团队从十位患者的脑部胶质瘤切片中获取样本，样本包含七个IDH突变胶质瘤、两个IDH野生型胶质瘤及一个非肿瘤样本。通过全细胞贴片钳技术对切片进行记录，并随后进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）。团队在157个细胞中记录了电生理数据，其中95个细胞用于高质量RNA的测序分析。

2. 电生理特征与细胞分类
   样本中约有108个细胞的电生理和形态学特征符合已知的神经细胞类型，并被分为锥体细胞（PC）、抑制性神经元（IN）或非发放性细胞（NS），而其余49个细胞具有神经元的电生理特性，但其形态学特征与成熟神经元不一致。研究团队将这些细胞定义为“混合细胞”（Hybrid Cells，HCS），它们在IDHmut样本中占36%，在非肿瘤样本中占30%，并能够发放单次小幅度动作电位（AP）。

3. 基因组和转录组分析
   为识别这些混合细胞的基因组特性，团队开展了主成分分析（PCA），发现这些细胞具有部分抑制性神经元和少突胶质前体细胞（OPC）的转录特征。为更精确地识别细胞类型，研究团队开发了单细胞规则关联挖掘工具（Single Cell Rule Association Mining，简称SCRAM），它通过神经网络模型（NNM）训练对单个细胞进行独立注释，并结合单核苷酸变异（SNV）和拷贝数变异（CNV）分析，为每个细胞生成基因组学和转录组学特征。

结果分析

1. 混合细胞的电生理特征
   在IDHmut胶质瘤样本中，混合细胞具备高输入电阻并能够发放小幅度动作电位，且PCA分析显示它们在电生理特性上与非发放性细胞（NSS）更为接近。

2. 基因特征与肿瘤标记
   通过SCRAM工具对每个细胞进行个体注释，发现混合细胞具备GABA能神经元和OPC的转录组特征，并显示出IDH突变的经典标记。该研究首次揭示了这种带有GABA能特性的OPC（简称GABA-OPC）在IDHmut胶质瘤中普遍存在，占据肿瘤细胞的显著比例。

3. GABA-OPC与患者生存率的关系
   研究分析了具有GABA-OPC特征的肿瘤细胞在不同IDH亚型肿瘤中的分布，发现这种特征在IDH突变胶质瘤中比例较高。Kaplan-Meier生存分析表明，高GABA-OPC评分的IDH突变患者生存率显著高于低评分患者，这暗示GABA-OPC特征可能与IDH突变胶质瘤较好的预后有关。

4. GABA-OPC的潜在生物学机制
   在GABA-OPC的转录组中检测到与电压门控钠通道（Nav）和钾通道（Kv）相关的基因，研究进一步通过免疫染色验证了钠通道Nav1.1在IDH突变肿瘤细胞中表达。使用四乙胺对这些细胞进行电生理验证，发现Nav通道是GABA-OPC肿瘤细胞产生动作电位的必要条件。

研究意义与价值

1. 揭示胶质瘤细胞的电生理特性
   该研究首次在体内证明胶质瘤细胞具有动作电位发放的能力，这一发现颠覆了传统上认为只有神经元能够发放动作电位的观念，为胶质瘤细胞的研究开辟了新方向。

2. IDH突变胶质瘤预后与GABA-OPC的关联
   高GABA-OPC评分与IDH突变胶质瘤患者的生存率改善存在显著关联，这表明GABA-OPC特征在IDH突变亚型中可能具有保护作用。这一发现为IDH突变胶质瘤的分子分型及预后预测提供了新的标记。

3. 新的电生理特性注释工具
   SCRAM工具的开发提供了一种精准的单细胞注释方法，适用于识别和分析肿瘤细胞和非肿瘤细胞的特定基因组和转录组特征，在处理小样本量时尤其有效。该工具有助于推进单细胞RNA测序在复杂肿瘤组织中的应用。

结论与展望

该研究的发现为胶质瘤细胞的复杂生物学特性提供了新的视角。GABA-OPC肿瘤细胞的动作电位发放特性可能对肿瘤微环境产生重要影响，未来的研究可进一步探讨肿瘤细胞是否会与周围神经元网络形成功能性连接，以及这种相互作用是否会影响患者的癫痫发作风险。同时，该研究中发现的非肿瘤脑组织中也存在动作电位发放的GABA-OPC，提示这些细胞可能在正常大脑功能中具有未被发现的作用。