Nat Commun | AkoyaBio PCF应用，国内多团队联合发表1032例脑转移瘤空间多组学图谱研究成果

脑转移瘤是恶性实体肿瘤进展期的常见严重并发症，其显著的分子异质性成为临床治疗方案开发与疗效提升的核心瓶颈。近日，香港大学、四川大学华西医院、中山大学肿瘤防治中心和北京天坛医院等多团队联合在《Nature Communications》杂志上刊稿了题为“A proteogenomic atlas of 1032 brain metastases identifies molecular subtypes, immune landscapes, and therapeutic vulnerabilities”的重磅研究论文。该研究通过构建 1032 例泛癌脑转移瘤样本的单细胞空间多组学图谱，首次阐明了脑转移瘤的分子亚型分类体系，挖掘出亚型特异性治疗脆弱靶点，为脑转移瘤的精准诊疗提供了全新的理论框架与临床参考依据。

脑转移瘤（Brain metastases，BrM）的发生在恶性实体肿瘤患者中占比约 30%，且随恶性肿瘤综合治疗水平提升、患者生存期延长，其发病率在过去 20 年呈显著上升趋势。肺癌、乳腺癌、黑色素瘤及结直肠癌是脑转移瘤的主要原发肿瘤类型，合计占所有脑转移瘤病例的 60%-80%。目前脑转移瘤的临床治疗以局部治疗（全脑放疗、立体定向放射外科、手术切除）与全身治疗（化疗、靶向治疗、免疫检查点抑制剂治疗）为主，但现有标准治疗方案的临床获益有限，患者整体预后仍较差。

分子谱分析技术的发展为脑转移瘤的机制研究与治疗靶点挖掘提供了新途径，既往研究已证实脑转移灶中存在原发肿瘤未检测到的临床可操作基因改变，且不同原发肿瘤来源的脑转移瘤存在独特的免疫抑制特征与代谢重编程模式。但现有研究仍存在诸多局限性：缺乏整合基因组改变与脑特异性肿瘤微环境（TME）的统一分子分型框架，对肿瘤细胞与神经微环境的相互作用如何调控脑转移瘤生物学状态、免疫景观及治疗脆弱性的机制尚未明确；多数研究缺乏空间分辨率以原位观察上述相互作用，且缺乏功能模型验证研究结果的临床相关性。此外，不同原发肿瘤来源脑转移瘤的共性与特异性分子特征尚未被系统解析。人类肿瘤分子图谱计划为解决该问题提供了新视角：通过大样本、单细胞维度、空间多组学技术开展系统性研究，构建兼具完整性与精细化的脑转移瘤分子图谱，为脑转移瘤亚型特异性精准治疗的临床转化与实践应用筑牢坚实的科学依据和理论支撑。

本研究采用多中心、发现队列与独立验证队列相结合的研究设计，整合新生成临床样本与公共数据库数据，最终构建包含 1032 例泛癌脑转移瘤、82 例匹配原发肿瘤及 20 例胶质母细胞瘤（GBM）的研究队列。研究运用多维度、多技术平台的分子谱分析策略，对研究队列样本进行全外显子测序（WES）、批量转录组测序（RNA-seq）、4D 数据非依赖性采集（4D-DIA）定量蛋白组学、靶向代谢组学检测；同时结合免疫组化（IHC）、单细胞核 RNA 测序（snRNA-seq）、空间转录组学、空间蛋白组学、多重免疫荧光（mIF）等技术，实现从基因组、转录组、蛋白质组、代谢组到单细胞分辨率及空间维度的脑转移瘤分子特征与肿瘤微环境的全面解析。本研究空间蛋白组实验在PhenoCycler-Fusion 2.0平台上完成，抗体组合采用I/O 60（人肿瘤免疫60标志物抗体组合）：

1. 鉴定出 4 种具有独特生物学特征与临床预后的脑转移瘤核心分子亚型

研究人员首先通过对发现队列 356 例泛癌脑转移瘤的转录组学共识聚类分析，鉴定出 BrMS1（神经样型）、BrMS2（免疫浸润型）、BrMS3（代谢型）、BrMS4（高增殖 / 免疫排斥型）四种分子亚型，该分型在不同检测平台、不同原发肿瘤来源的独立验证队列中均表现出高度稳健性，机器学习模型验证其分型准确率达 84% 以上。生存分析显示，各亚型患者术后生存期存在显著差异，BrMS2 患者预后最优，BrMS4 患者预后最差，且多因素 Cox 比例风险回归分析证实 BrMS4 是脑转移瘤患者独立的不良预后因素。各亚型具有特异性的分子通路富集特征，同时存在 GFAP（BrMS1）、IFI16（BrMS2）等亚型特异性标志物，经 IHC 验证具有显著的亚型表达差异。

图1. 泛癌脑转移瘤（BrM）的研究流程与分子亚型揭示独特生物学特征及临床预后

2.解析了各分子亚型的多组学特征与基因组不稳定性

4D-DIA 定量蛋白组学分析（图2）在 118 例样本中定量 9621 种蛋白，证实转录组水平的分子分型可在蛋白质水平得到有效验证，各亚型存在特异性蛋白表达谱；基因组分析（详见原文）对 160 例样本的 WES 数据解析显示，BrMS4 具有最高的体细胞拷贝数改变（SCNA）计数与染色体不稳定性（CIN）评分，RB1 等细胞周期调控基因存在特异性基因组改变，TP53 在所有亚型中均呈高频突变（50%-76%），是脑转移瘤发生发展的关键驱动基因；靶向代谢组学分析 74 例样本发现，BrMS3 存在糖酵解与核苷酸代谢中间产物的广泛上调，表现出独特的代谢重编程特征。

图2.泛癌脑转移瘤亚型的蛋白组学特征

3.明确了各分子亚型的治疗特性，挖掘出亚型特异性治疗靶点

PDO 模型体外药物筛选结果显示，BrMS3 对 mTOR 抑制剂依维莫司表现出高敏感性，BrMS4 对 CDK4/6 抑制剂阿贝西利敏感性显著高于其他亚型；线粒体抑制剂加米替尼可通过逆转脑转移瘤关键主调控因子的活性发挥抗肿瘤作用，在 30 例 BrM-PDO 模型中验证其预测准确率达 0.8。放疗疗效分析显示，BrMS1 患者接受放疗后可获得最优的生存获益（HR=0.31，95% CI: 0.13–0.75，P=0.009，详见原文）；免疫景观初步分析表明，BrMS2 为免疫检查点抑制剂治疗的潜在优势获益人群，为后续精准治疗方案制定提供了靶点与人群依据。

4.揭示了 EMT 与脑转移瘤免疫浸润的特异性正相关调控关系

借助 snRNA-seq、空间转录组学及 PhenoCycler-Fusion 2.0 空间蛋白组学技术，对 16 例样本的 135866 个细胞核及 23 例样本开展高分辨率解析，明确 BrMS1、BrMS2 为“免疫热型”，具有高细胞毒性 T 淋巴细胞浸润特征，BrMS2 还表现出高 MHC 分子、PD-L1/PD-1 表达及弥漫性 T 细胞浸润的空间特征；BrMS3、BrMS4 为“免疫冷型”，仅存在外周 T 细胞聚集。同时在单细胞分辨率下开展 15μm 范围内的空间邻域分析，证实 EMT 通路活性与细胞毒性 T 淋巴细胞评分在脑转移瘤中显著正相关（图3），间充质肿瘤细胞与 CD8+T 细胞呈紧密空间邻域分布，且 EMT 驱动的细胞外基质重塑形成 T 细胞迁移的“允许性支架”，该调控关系在原发肿瘤与胶质母细胞瘤中未发现，打破了原发肿瘤中 EMT 介导免疫抑制的传统认知。

图3. 上皮间质转化（EMT）与脑转移瘤免疫浸润的相关性 

本研究构建了目前国际上规模最大的泛癌脑转移瘤蛋白质基因组综合图谱，首次鉴定出 4 种稳定的分子亚型，系统解析了各亚型的基因组、转录组、蛋白质组及代谢组特征，明确了其与临床预后的关联及独特的免疫景观；挖掘出 mTOR、CDK4/6 等亚型特异性治疗靶点，证实了不同亚型的治疗方案敏感性差异；并首次揭示了 EMT 与脑转移瘤免疫浸润的特异性正相关关系。该研究建立了基于肿瘤微环境的脑转移瘤分子分型框架，实现了从原发肿瘤中心型向转移灶脑微环境适应型分型的范式转变，为脑转移瘤的精准分层治疗、治疗靶点开发提供了新思路。