解析脑肿瘤多组学数据网络：探寻改变细胞状态转换的药物新契机

胶质母细胞瘤（GBM）治疗棘手，患者生存率低。研究人员整合多组学数据构建网络，研究细胞状态转换机制。结果发现关键蛋白和通路，为药物研发及细胞状态导向治疗（CSD）提供依据，有望改善 GBM 治疗现状。

　　在医学领域，脑肿瘤一直是令人头疼的难题，其中胶质母细胞瘤（Glioblastoma Multiforme，GBM）更是难上加难。GBM 是一种高度侵袭性的脑癌，尽管医学家们一直在努力，但目前的治疗手段效果不佳，患者的生存状况依旧堪忧。就像在黑暗中摸索，始终难以找到那盏照亮前路的明灯。目前，标准治疗药物替莫唑胺（Temozolomide，TMZ）联合放疗（Radiotherapy，RT），也仅仅能让患者的中位生存期达到 15 个月，5 年生存率只有 5%。其他药物，如贝伐单抗、厄洛替尼、吉非替尼以及免疫检查点抑制剂等，在 GBM 治疗上均未能取得显著成效。

为何 GBM 如此难以攻克？这主要归因于肿瘤内高度的异质性（Intratumoral Heterogeneity，ITH）和细胞可塑性。肿瘤内部存在多种不同的细胞状态，它们之间的转换使得肿瘤细胞能够逃避药物的攻击，产生耐药性。这就好比一群狡猾的敌人，不断变换着伪装，让药物难以精准打击。为了深入了解这些现象背后的机制，来自美国布法罗大学药学院和制药科学学院以及克莱姆森大学等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。

研究人员运用了多种关键技术方法。他们首先从公共数据库获取 GBM 患者的单细胞 RNA 测序（single - nucleus RNA sequencing，snRNA - seq）、批量 RNA 测序（bulk RNAseq）和磷酸化蛋白质组学数据。然后，通过计算流程，利用这些多组学数据构建蛋白质 - 蛋白质相互作用网络（Protein - Protein Interaction Network，PPIN）。之后，将 PPIN 转换为布尔网络进行计算机模拟敲除实验，并使用机器学习模型对独立的临床数据集进行细胞状态预测。

下面来看具体的研究结果：

• 生成各细胞状态的蛋白质 - 蛋白质相互作用网络：研究人员分析了 100 例 GBM 患者的数据，其中 92 例为野生型异柠檬酸脱氢酶 1（wtIDH1）患者。通过单细胞分析、去卷积和患者分类等步骤，确定了每个患者的主要细胞状态，并构建了四个细胞状态（神经祖细胞样（NPC - like）、少突胶质祖细胞样（OPC - like）、星形胶质细胞样（AC - like）和间充质样（MES - like））各自的 PPIN。这些网络平均包含 65 个节点和 122 条边，且不同细胞状态的 PPIN 在信号通路方面存在差异12。
• 稳态分析：将最终的 PPIN 转换为布尔网络后，研究人员进行稳态模拟并生成逻辑规则。比较四个不同细胞状态的稳态发现，MES 和 AC 状态最为相似，同时网络存在非线性响应3。
• 计算机模拟敲除实验：从每个主要细胞状态的稳态开始，逐个敲除节点。结果发现，敲除 TP53 或 PTEN 会使网络趋向于 MES 状态，这可能是导致对 TMZ 和 RT 耐药的关键原因。STAT3 敲除则使网络远离 MES 状态，趋向于 AC 状态。此外，研究还发现 NPC 状态对蛋白质敲除最为敏感，并且模拟结果表明存在混合细胞状态45。
• 机器学习模型预测 GBM 患者的细胞状态：研究人员利用敲除模型模拟结果训练了四种机器学习模型，包括多项逻辑回归、K 近邻（K - nearest neighbor，KNN）、随机森林（Random Forest，RF）和 XGBoost。使用 GLASS 数据库中的批量 RNAseq 数据进行测试，结果显示 XGBoost 模型表现最佳，但该模型在预测 AC 和 OPC 细胞状态时存在困难，这可能源于布尔模型与实际数据在某些关键蛋白活性预测上的差异67。
• XGBoost 解释提供细胞状态转换的机制假设：通过 Shapley Additive Explanations（SHAP）方法分析发现，CDK2、HGF 等是预测 MES 和 NPC 状态的重要蛋白。结合敲除模拟结果，研究人员提出转录因子 TFAP2A 的沉默可能导致 HGF 激活，从而促进细胞从 NPC 样状态转变为 MES 样状态，这为细胞状态转换提供了潜在的机制假设89。

在研究结论和讨论部分，研究人员构建的布尔模型及相关分析，为 GBM 细胞状态转换提供了深入见解，确定了关键驱动因素，为未来体外实验验证和拓展模型奠定了基础。然而，该研究也存在一定局限性。例如，PPIN 模型未考虑肿瘤微环境中的细胞间相互作用；模型主要依赖批量肿瘤样本，无法精准反映单细胞层面的情况；缺乏实验数据验证模型预测结果等。尽管如此，这项研究依旧意义重大，它为 GBM 的治疗开辟了新的思路，有望推动细胞状态导向治疗（CSD therapy）的发展，让我们在攻克 GBM 的道路上迈出了重要一步。