2023年1月，北京协和医院神经外科马文斌教授、王裕副教授团队联合胸外科韩志军副教授团队在神经肿瘤学杂志《Neuro-Oncology》（IF：13.029/Q1）发表了题为《Single-cell transcriptomic analyses provide insights into the cellular origins and drivers of brain metastasis from lung adenocarcinoma》的研究论文。本研究基于既往已公开发布的单细胞测序数据，对11例肺腺癌患者和10例肺腺癌脑转移患者的数据进行了进一步分析，鉴定出了可能驱动肺腺癌发生脑转移的恶性上皮细胞亚群BMAECs、该细胞亚群的标志物S100A9，并根据肿瘤组织中BMAECs的丰度，建立了脑转移指数（BM-index）。为了使上述研究结论更加具有可靠性，研究团队利用北京协和医院的30例发生脑转移的肺腺癌原发病灶样本（PT），37例肺腺癌脑转移样本（BM）和33例长期随访仍未发生脑转移的肺腺癌样本（NMPT）在蛋白水平进行了验证。此外，本研究团队还进一步基于单细胞转录组测序数据和TCGA中肺腺癌患者的转录组数据，对高脑转移风险的肺腺癌患者进行了潜在靶向药物的预测。

本研究对肺腺癌脑转移的潜在机制进行了初步探索，确定了可能对肺腺癌脑转移有预测价值的标志物，并对靶向高脑转移风险的患者的药物进行了筛选，在肺腺癌脑转移研究领域具有较高的临床意义。

Zihao Wang, Yaning Wang, Mengqi Chang, Yuekun Wang, Peng Liu, Jianqiang Wu, Guige Wang, Xiaoyue Tang, Xiangyi Hui, Penghao Liu, Xiaopeng Guo, Bing Xing, Yu Wang, Zhijun Han, Wenbin Ma, Single-cell transcriptomic analyses provide insights into the cellular origins and drivers of brain metastasis from lung adenocarcinoma, Neuro-Oncology, 2023;, noad017, https://doi.org/10.1093/neuonc/noad017

【通过单细胞转录组数据对肺腺癌原发病灶及脑转移病灶的细胞组成进行分析】

研究通过对11例肺腺癌患者和10例肺腺癌脑转移患者的单细胞测序数据进行降维、聚类和细胞注释，发现无论是在肺腺癌原发病灶（PT）还是脑转移病灶（BM），其微环境中都存在大量免疫细胞，但两者的细胞构成仍有所不同（图1）。研究团队主要对T细胞和巨噬细胞的分析发现，在BM中，M2型的巨噬细胞较PT明显较多（32.4% VS 0.4%，P＜0.001），而PT组织中CD8+ T细胞较多。除转录组水平外，我们也在蛋白水平进行了免疫组化和免疫荧光，对该结论进行了验证（图2）。

【CNV和克隆演进分析探究脑转移的潜在驱动机制】

为了进一步明确肺腺癌脑转移的机制，我们利用inferCNV算法对PT组织中的上皮细胞进行了分析，鉴定出其中的恶性上皮细胞。通过对PT和BM中恶性上皮细胞的进化树分析，我们发现BM病灶中的恶性上皮细胞可能来源于肺腺癌中特定的一个细胞亚群，而这一细胞亚群均存在7号染色体的获得性改变（图3）。

【通过拟时序分析进一步明确与肺腺癌脑转移密切相关的上皮细胞亚群】

为了更精确地定位出发生脑转移的细胞亚群，研究将全部的7064个恶性上皮细胞分成了11个亚群（EC 0-10），而其中EC2这个细胞亚群在肺腺癌原发灶和转移灶中均存在，提示EC2可能在脑转移中尤为重要，因此我们将该细胞亚群命名为脑转移相关上皮细胞（BMAECs）。针对EC2进行的拟时序分析发现，在该细胞亚群中，向cell fate 2阶段分化的细胞最具有脑转移倾向，而针对这一分化过程的研究很大程度上可能解释脑转移的驱动机制。因此，我们利用branched expression analysis modeling（BEAM）分析确定了发生该分化相关的45个基因（branch-dependent genes），希望能从上述基因中找到肺腺癌脑转移的分子标志物（图4）。

【利用北京协和医院脑转移瘤队列对BMAECs与脑转移之间的相关性进行验证】

在前期分析得到的45个脑转移相关基因中，我们通过预实验，同时综合基因的功能和表达情况，最后确定了S100A9为肺腺癌脑转移的生物标志物。为了能使得到的结论更加准确，我们纳入了在北京协和医院神经外科及胸外科行手术的患者样本，包括30例PT样本，37例BM样本和33例NMPT样本。通过普通免疫荧光及多重免疫荧光染色（图5），最终证实了S100A9可以作为BMAECs的分子标志物，并且ROC曲线也显示组织中BMAECs的丰度能够很好地将PT和NMPT进行区分，BMAECs＞3.803%的肺腺癌患者更易发生脑转移，这也进一步证明了该类细胞亚群在肺腺癌脑转移中可能发挥重要的作用。从预后角度，我们对本中心的患者进行了生存分析，结果发现虽然BMAECs的丰度对患者的总生存期影响不大，但病灶中BMAECs较多的患者发生脑转的时间明显较早（P=7.24×10-4）。

【依托TCGA数据库肺腺癌脑转移指数（BM index）的建立以及靶向药物的确定】

为了进一步将该研究结论向临床推广，我们利用TCGA数据库中的499例肺腺癌患者的转录组数据，根据每例样本中BMAECs的丰度建立了BM index。通过生存分析发现，高BM index的患者，无论是总生存期还是无进展生存期都更短（图6A-C）。而为了寻找能够靶向高脑转移风险患者的药物，我们利用CTRP和PRISM两个数据库共筛选出了7种具有潜在治疗效果的靶向药物。综合药物可及性，安全性等因素，最终我们认为拉帕替尼可能是一种较为理想的药物（图6D-H），后续还有待进一步实验验证。

图6. 靶向BMAECs及高脑转移指数患者的药物筛选。