解讀基因之間：單細胞解析度下的膠質母細胞瘤全貌

歷經一代人的研究進展仍難以攻克的一种癌症

膠質母細胞瘤（GBM）至今仍是多發於成年人當中最具侵略性的原發性腦腫瘤。儘管經過數十年的研究，目前已建立包括外科切除、放射治療和替莫唑胺化療在內的標準化治療方案，患者的中位存活期仍只有大約 15 個月。在過去一代人的時間裏，這種疾病的不良預後情況幾乎沒有改變，使無數患者及其家屬在確診後承受巨大的打擊。

在每一個統計數據背後，都是一個有血有肉的人。因此，患者由始至終都必須是我們一切工作的核心。在臨床工作中，我們常常在病人及其家人生命中最恐懼的時候與他們相遇。他們會用不同的方式提出同樣的問題：你能為我做些什麼？ 長久以來，那個誠實的答案都未能達到我們作為醫生與科學家的期望。手術可以減少腫瘤體積，放射治療和替莫唑胺能夠延緩腫瘤的生長，但膠質母細胞瘤幾乎必定會復發；而其一旦復發的話，可選擇的治療方案便會大幅減少。漸進式的醫學進步已經不足夠；我們必須突破當前的界限。

膠質母細胞瘤之所以如此難以治療，主要源於兩個關鍵特徵，而理解這些特徵有助於解釋為何治療進展如此艱巨。首先，每一個腫瘤都是獨特的。即使在同一個腫瘤之內，細胞也會呈現出截然不同的分子特徵，這種現象被稱為腫瘤內異質性（intratumoural heterogeneity）。其次，膠質母細胞瘤的細胞會大幅度地重調基因的解讀方式，產生扭曲的信使核糖核酸（mRNA）分子，進而生成異常或致癌蛋白質。我們稱此過程為可變剪接，而其正逐漸被科學界視為對膠質母細胞瘤最具影響力卻仍未被充分理解的驅動因素之一，並且在主流癌症基因組學技術中往往難以被檢測出來。

在發表於《自然通訊》（Nature Communications）的新近研究中，我們嘗試同時解決這兩個問題。通過在單細胞解析度下捕捉完整mRNA 分子的長讀長定序技術，（逐一檢視每個細胞，而非尋求數千個細胞之間的平均信號），我們著手建立至今最為全面的膠質母細胞瘤異構體圖譜。此舉的目標非常明確：我們要找出真正能區分病人腫瘤細胞與健康細胞的分子特徵，進而發現傳統方法所忽略的潛在治療契機。在我們看來，達到這種精細度的解析，正是當前患者對我們的期望。

為何異構體這麽重要？

每個人類基因在原則上都可以被剪接成多種不同的 mRNA 分子，每一種都會編碼出略有差異的蛋白質。這些變異形式稱為異構體（isoform）。在健康細胞裏，剪接過程受到精細的調控。然而，在癌細胞裏，剪接陷入混亂，產生會促進腫瘤生長、逃避免疫系統或抵抗治療的異構體。

直到最近，癌症轉錄組學（cancer transcriptomics）仍然主要依賴短讀長定序技術，但是這種技術只能讀取mRNA分子的短片段。若要解析完整的異構體，就必須使用從頭到尾讀取整條 mRNA 分子的技術，進行長讀長定序。在單細胞層面運用長讀長定序是一項相當大的技術挑戰，但此舉能帶來非凡的成果，讓我們能夠清楚觀察到腫瘤中每一個細胞表達的是哪一種基因異構體。

圖1：研究工作流程概覽。採樣自膠質母細胞瘤患者的腫瘤組織被解離成單細胞，並透過兩種互補的定序技術捕獲並讀取其中的全長RNA分子：短讀長定序用於確立細胞身份，而長讀長定序則用於解析每個RNA轉錄本的完整結構。這種結合策略使我們能夠識別出腫瘤特異性RNA異構體，並提出兩類具潛力的治療契機：結合腫瘤細胞表面與細胞內標靶的適體藥物，以及可開發為個人化癌症疫苗的胜肽新抗原。

建立膠質母細胞瘤的單細胞長讀長定序圖譜

我們使用了採集自27位於瑪麗醫院接受治療的膠質母細胞瘤患者的手術樣本，從超過182,000個細胞中生成了匹配的短讀長與長讀長單細胞RNA的測序數據。據我們所知，這建立了至今最全面的人類膠質母細胞瘤異構體多樣性圖譜。

我們得出了三項主要的研究成果：

我們其後提出疑問：這些只存在於腫瘤的異構體會否產生能被免疫系統辨識為「外來」物質的小分子胜肽？我們使用兩種獨立的預測演算法，其後再以第三種演算法進行驗證，識別出89種異構體。這些異構體所編碼的胜肽，經預測顯示能與人類白血球抗原（HLA） 第一類分子產生高親和力結合，而此分子正是免疫系統用於向 T 細胞呈現異常蛋白的分子平台。重要的是，其中有數個預測新抗原表現出比已進入肽類疫苗臨床試驗的知名突變衍生新抗原更為廣泛、更加強大的免疫呈現能力。這對於膠質母細胞瘤來説意義尤其重大，因為這種癌症的突變負荷十分低，一直以來限制了免疫治療的效果。因此，剪接衍生的新抗原也許代表了一個尚未開發但是十分豐富的腫瘤特異性靶點來源 — 一條充滿「異質性」的「礦脈」，能夠為個人化疫苗所運用。

圖4：候選新抗原（源自腫瘤特異性異構體的蛋白質短片段）排序圖，排序依據為它們與東亞族群最常見的五種 HLA 第一類（HLA class I）分子結合的預測能力。顏色越深代表預測的結合力越強，因而該片段被T細胞識別並用於誘發抗腫瘤免疫反應的可能性也越高。這些胜肽並不存在於正常的人體蛋白質組中，使其成為開發針對膠質母細胞瘤的個人化癌症疫苗時極具吸引力的標靶。

從病床到實驗室：合作框架

這類研究高度依賴於任何單一實驗室都無法獨自組建的平台，而這項研究正是借助了近年在香港逐漸成熟的兩大合作夥伴。

本次研究所使用的腫瘤樣本由香港大學李嘉誠醫學院與瑪麗醫院合作成立的臨床神經科學聯盟（CNC）提供。CNC在一個共同治理與生物樣本庫框架之下運作，連結神經外科醫生、神經腫瘤學家、神經病理學家和轉化科學家，使組織樣本得以被採集、註釋並提供用於研究，同時附帶進行異構體層面分析所需的詳細臨床信息。臨床神經科學聯盟的腦腫瘤協作小組與港大醫學院和瑪麗醫院的神經外科合作，協調這項研究所依賴的術中取樣與臨床註解工作。

定序與計算分析工作則是與香港基因組計劃的執行機構 — 香港基因組中心（HKGI）合作進行。HKGI提供了讓我們得以在這個規模下進行單細胞異構體分析所需的長讀長定序平台與資訊環境 — 這樣的組合在大多數學術環境中尚不普及。我們與香港基因組中心的合作不僅限於這次研究，更涵蓋了廣泛地針對多種惡性腫瘤開展基因組及轉錄組特徵描繪的計劃，並以將群體規模的定序能力轉化為直接惠及患者的成果為共同目標。臨床服務、學術研究與公共部門基因組基礎設施之間的協同，使這項研究得以實現，而這樣的深度合作在國際上仍不常見。此類協作的持續性，將決定此類工作從單一研究推進到標準實踐的速度。

未來展望

這項研究的結果奠定了基礎，而非下了結論。目前在我們所描述的生物學與我們期望能因此受惠的病人之間，仍存在三個問題有待解答。首先，這些預測新抗原是否能在病人身上引發T細胞免疫反應？要回答這個問題，需要系統性的免疫學驗證，理想情況下應納入至早期臨床試驗之中。其次，經本次研究識別出來、針對病人特異性異構體對的「適體 — 藥物偶聯物」，能否在臨床前模型中達到顯著療效，並且維持在可接受的治療窗口？第三個問題，或許也是最難的一個問題：如何透過醫院與醫療系統能夠切實運行的工作流程，來實現根本性的個人化方案，亦即每位病人都携帶著自己獨特的靶點配對與新抗原？

我們的實驗室以及直接合作夥伴已經就這三個方向展開工作。對預測新抗原的免疫原性研究、針對我們所識別的異構體對開發適體 — 藥物偶聯物的臨床前研究，以及臨床上可部署的個人化工作流程的早期設計工作，都已在同步進行，從而讓一個以異構體為導向的醫療策略在生物學、化學和操作層面上得以同步而非依序地邁向成熟。我們正積極把相關工作延伸至更廣闊的範疇，透過建立區域性及國際性的合作以達到這種個人化方案的最終需要。

這些都是重大的問題，但並非無先例可循。以mRNA為基礎的個人化癌症疫苗在黑色素瘤及胰臟癌的臨床進展迅速，意味病人專屬的靶點識別、製造及施用程序，可以壓縮至臨床上可行的時間框架之內。適體化學在其他疾病的框架下亦同樣地取得相當的進展，顯示異構體導向策略的遞送部分同樣可望實現。過去一直缺少的，是一幅能以所需解析度界定靶點的分子地圖，而這正是本次研究所提供的價值所在。

面對膠質母細胞瘤這般兇猛的疾病，僅靠小幅度進展已不足以應對。全長單細胞轉錄組的解讀，揭示了短讀長方法從未能覺察的盲點。我們接下來的任務，是將這種盲點轉化為惠及病人的實際益處，而這並不能單靠單一團隊獨自完成。我們期待與區域內和國際上的同仁合作，依託港大醫學院、瑪麗醫院及香港基因組中心，在大學教育資助委員會及研究資助局的支持下，將這類成果推向臨床應用。

原文

Tang, W., Lo, C.W.S. et al. Mapping glioblastoma's isoform diversity using long-read single-cell analysis. Nature Communications 17:5640 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72258-2

作者

香港大學李嘉誠醫學院臨床醫學學院臨床腫瘤學系及癌症醫學中心臨床助理教授、臨床神經醫學聯盟督導委員會成員Aya El Helali

香港基因組中心行政總裁（暫任）及首席醫務及科學總監、香港大學李嘉誠醫學院臨床醫學學院兒童及青少年科學系臨床副教授鍾侃言

香港大學李嘉誠醫學院臨床醫學學院外科學系臨床教授、臨床神經醫學聯盟召集人梁嘉傑

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