Intégration de l’analyse électrophysiologique et génomique révèle des cellules tumorales générant des potentiels d’action dans les gliomes humains

Contexte et objectifs de la recherche

Les gliomes sont les tumeurs malignes les plus courantes du système nerveux central, avec environ 20 000 nouveaux cas par an. Ces tumeurs comprennent deux sous-types: les gliomes avec mutation de l’isocitrate déshydrogénase (Isocitrate Dehydrogenase, abrégé IDH) (IDHmut) et ceux de type sauvage (IDHwt). Les gliomes IDHwt ont généralement un mauvais pronostic, avec une survie médiane de moins de 14 mois ; en revanche, les patients avec gliomes IDHmut ont une survie plus longue. Ces dernières années, le développement de la neuro-oncologie a révélé l’interaction entre les cellules tumorales et les neurones comme ayant un rôle clé dans la progression tumorale, mais les caractéristiques électrophysiologiques des cellules tumorales elles-mêmes dans le tissu tumoral restent mal comprises.

Cette étude, dirigée par Rachel N. Curry de Baylor College of Medicine et d’autres institutions de recherche, a combiné des technologies d’électrophysiologie et de génomique unicellulaire pour analyser en profondeur des échantillons de gliome humain à l’aide de la technologie “Patch-seq”. L’objectif de la recherche est d’identifier si les cellules tumorales présentent des caractéristiques de décharge de potentiel d’action (AP) similaires aux neurones, d’analyser leurs caractéristiques d’expression génique, et d’explorer si cette caractéristique est présente à la fois dans les tissus tumoraux et non tumoraux.

Source de la recherche

Cette étude a été publiée dans la revue “Cancer Cell” du 14 octobre 2024, avec l’article intitulé “Integrated Electrophysiological and Genomic Profiles of Single Cells Reveal Spiking Tumor Cells in Human Glioma”. Les principaux auteurs de cet article incluent Rachel N. Curry, Qianqian Ma, etc., et l’équipe de recherche est affiliée à Baylor College of Medicine et à Texas Children’s Hospital, entre autres. L’équipe espère que la révélation de l’activité électrophysiologique des cellules tumorales in vivo apportera une nouvelle perspective pour le diagnostic et le traitement des gliomes.

Méthodologie de la recherche

Conception et processus de l’expérience

1. Collecte et classification préliminaire des échantillons
   L’équipe de recherche a recueilli des échantillons de tranches de gliome cérébral chez dix patients, incluant sept gliomes avec mutation IDH, deux gliomes de type sauvage, et un échantillon non tumoral. Les tranches ont été enregistrées à l’aide de la technique du patch-clamp entier, suivie du séquençage de l’ARN unicellulaire (scRNA-seq). L’équipe a enregistré des données électrophysiologiques de 157 cellules, parmi lesquelles 95 ont été utilisées pour l’analyse de séquençage d’ARN de haute qualité.

2. Caractéristiques électrophysiologiques et classification cellulaire
   Environ 108 cellules de l’échantillon présentaient des caractéristiques électrophysiologiques et morphologiques correspondant à des types cellulaires neuronaux connus, et ont été classées comme cellules pyramidales (PC), neurones inhibiteurs (IN) ou cellules non-spike (NS). Les 49 cellules restantes présentaient des caractéristiques électrophysiologiques neuronales, mais leurs caractéristiques morphologiques n’étaient pas compatibles avec des neurones matures. Ces cellules ont été définies par les chercheurs comme “cellules hybrides” (Hybrid Cells, HCS), représentant 36 % dans les échantillons IDHmut et 30 % dans les échantillons non tumoraux, capables de générer des potentiels d’action à faible amplitude.

3. Analyse génomique et transcriptomique
   Afin d’identifier les caractéristiques génomiques de ces cellules hybrides, l’équipe a effectué une analyse en composantes principales (PCA), révélant que ces cellules possédaient des caractéristiques de transcription partiellement communes aux neurones inhibiteurs et aux précurseurs oligodendrocytaires (OPC). Pour identifier plus précisément les types cellulaires, l’équipe a développé un outil d’exploration d’association de règles monocellulaires (Single Cell Rule Association Mining, abrégé SCRAM), qui utilise un modèle de réseau neuronal (NNM) pour annoter individuellement chaque cellule, et combine des analyses de variations de nucléotides simples (SNV) et de variations de nombre de copies (CNV) pour générer des caractéristiques génomiques et transcriptomiques pour chaque cellule.

Analyse des résultats

1. Caractéristiques électrophysiologiques des cellules hybrides
   Dans les échantillons de gliome IDHmut, les cellules hybrides présentaient une résistance d’entrée élevée et étaient capables de générer des potentiels d’action à faible amplitude. L’analyse PCA montre qu’elles sont plus proches des cellules non-spike (NSS) en termes de caractéristiques électrophysiologiques.

2. Caractéristiques géniques et marqueurs tumoraux
   L’outil SCRAM a permis une annotation individuelle de chaque cellule, révélant que les cellules hybrides présentent des caractéristiques transcriptomiques de neurones GABAergiques et d’OPC, ainsi que des marqueurs classiques de mutation IDH. Cette étude a mis en lumière pour la première fois la prévalence des OPC à caractéristique GABAergique (GABA-OPC) dans les gliomes IDHmut, constituant une proportion significative des cellules tumorales.

3. Relation entre GABA-OPC et la survie des patients
   L’étude a analysé la distribution des cellules tumorales avec des caractéristiques GABA-OPC dans différents sous-types de tumeurs IDH, constatant une proportion plus élevée de cette caractéristique dans les gliomes IDH mutés. L’analyse de survie de Kaplan-Meier a montré que les patients IDH mutés avec un score GABA-OPC élevé avaient une survie significativement meilleure que ceux avec un score bas, suggérant que la caractéristique GABA-OPC pourrait être associée à un meilleur pronostic des gliomes IDH mutés.

4. Mécanismes biologiques potentiels des GABA-OPC
   Le transcriptome des GABA-OPC a révélé des gènes associés aux canaux sodiques (Nav) et potassiques (Kv) à potentiel contrôlé par le voltage. Des vérifications par immunomarquage ont confirmé l’expression du canal sodique Nav1.1 dans les cellules tumorales IDH mutées. L’utilisation de tétraéthylammonium pour la validation électrophysiologique a montré que les canaux Nav sont nécessaires à la génération de potentiels d’action par les cellules tumorales GABA-OPC.

Portée et impact de l’étude

1. Révélation des caractéristiques électrophysiologiques des cellules de gliome
   Cette étude démontre pour la première fois in vivo que les cellules de gliome ont la capacité de générer des potentiels d’action, remettant en question l’idée traditionnelle selon laquelle seuls les neurones peuvent générer des potentiels d’action, et ouvrant de nouvelles voies pour la recherche sur les cellules de gliome.

2. Lien entre le pronostic des gliomes avec mutation IDH et les GABA-OPC
   Le score élevé de GABA-OPC est significativement associé à une amélioration de la survie des patients atteints de gliomes avec mutation IDH, suggérant que la caractéristique GABA-OPC peut avoir un rôle protecteur dans ce sous-type IDH muté. Cette découverte fournit un nouveau marqueur pour la typologie moléculaire et la prédiction pronostique des gliomes avec mutation IDH.

3. Nouvel outil d’annotation des caractéristiques électrophysiologiques
   Le développement de l’outil SCRAM offre une méthode précise d’annotation monocellulaire, applicable à l’identification et l’analyse des caractéristiques génomiques et transcriptomiques spécifiques des cellules tumorales et non tumorales, particulièrement efficace pour les échantillons de petite taille. Cet outil pourrait contribuer à l’avancement du séquençage de l’ARN monocellulaire dans les tissus tumoraux complexes.

Conclusions et perspectives

Les découvertes de cette étude offrent une nouvelle perspective sur les caractéristiques biologiques complexes des cellules de gliome. Les propriétés de génération de potentiels d’action des cellules tumorales GABA-OPC pourraient avoir un impact significatif sur le microenvironnement tumoral, et les recherches futures pourraient explorer si les cellules tumorales s’engagent dans des connexions fonctionnelles avec le réseau neuronal environnant et si cette interaction influence le risque de crises épileptiques chez les patients. En outre, la découverte d’une présence d’OPC GABA dans le tissu cérébral non tumoral suggère que ces cellules pourraient avoir un rôle non encore découvert dans le fonctionnement normal du cerveau.