Nature Cancer | 時(shí)序單細(xì)胞追蹤揭示抗PD-1免疫治療在肺癌中的作用機(jī)制
原創(chuàng)?風(fēng)不止步?圖靈基因?2022-01-08 13:52
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撰文：風(fēng)不止步
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以PD-1抗體為代表的免疫療法顯著改善了癌癥治療現(xiàn)狀，但免疫治療只在一部分癌癥患者中發(fā)揮作用。為了促進(jìn)下一代免疫治療的發(fā)展，首先需要清楚anti-PD-1治療的作用機(jī)制。
2021年12月23日，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、生命科學(xué)學(xué)院、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心（ICG）張澤民課題組聯(lián)合301醫(yī)院韓為東課題組，在《Nature Cancer》上發(fā)表了題為：Temporal single-cell tracing reveals clonal revival and expansion of precursor exhausted T cells during anti-PD-1 therapy in lung cancer?的研究論文，提出了克隆復(fù)興（clonal revival）并揭示PD-1抗體治療在肺癌中的作用機(jī)制。
旨在闡明ICB治療機(jī)制的肺癌研究集中在大宗腫瘤的全外顯子組測(cè)序，但這種策略在了解檢查點(diǎn)阻斷的免疫反應(yīng)的細(xì)胞基礎(chǔ)方面是有限的。單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）是剖析復(fù)雜生物系統(tǒng)細(xì)胞多樣性較好的方法，但目前對(duì)肺癌的scRNA-seq分析集中在治療前的腫瘤上，主要是由于在多個(gè)治療時(shí)間點(diǎn)獲得高質(zhì)量的人類腫瘤樣本的挑戰(zhàn)。最近的一項(xiàng)肺癌研究分析了治療后腫瘤中的新抗原特異性T細(xì)胞，而治療后這種細(xì)胞的時(shí)間變化仍然難以捉摸。為解決這些限制，利用scRNA-seq分析來全面描述抗PD-1與化療聯(lián)合治療后分離的腫瘤活檢中T細(xì)胞的時(shí)間動(dòng)態(tài)，能夠更好地解釋基于PD-1治療的基本機(jī)制。
（圖1：在治療前和治療期間的T細(xì)胞的特性）
免疫檢查點(diǎn)阻斷（ICB）能夠通過破壞共抑制性T細(xì)胞信號(hào)來增強(qiáng)抗腫瘤免疫力，代表著癌癥治療模式的巨大轉(zhuǎn)變。然而，對(duì)這種療法的顯著反應(yīng)僅限于少數(shù)NSCLC患者，突出了對(duì)其他治療策略的需求。為了促進(jìn)下一代免疫療法的合理設(shè)計(jì)，首先了解ICB誘導(dǎo)的腫瘤排斥反應(yīng)的分子和免疫學(xué)機(jī)制是至關(guān)重要的。以前的研究報(bào)道，PD-1通路阻斷可以逆轉(zhuǎn)慢性病毒感染期間終末耗盡的Texp細(xì)胞的功能障礙狀態(tài)，提出了一個(gè)廣泛的ICB治療機(jī)制。然而，隨著對(duì)這一問題的集中解決，新出現(xiàn)的證據(jù)表明，終末期Tex細(xì)胞的表觀遺傳穩(wěn)定性很難改變，可能會(huì)限制這種恢復(fù)活力的作用。最近的觀察也支持這樣的觀點(diǎn)，表明浸潤的新克隆而不是先前存在的克隆在癌癥治療中起著主導(dǎo)作用。此外，多項(xiàng)研究將臨床結(jié)果與Texp細(xì)胞聯(lián)系起來，包括干細(xì)胞和隨后轉(zhuǎn)化為終端Tex亞群的過渡性細(xì)胞，但終端Tex和Texp細(xì)胞在人類癌癥治療過程中如何對(duì)抗PD-1作出反應(yīng)仍是未知數(shù)。
（圖2：Texp細(xì)胞的鑒定和CXCL13的表達(dá)）
作者對(duì)36名NSCLC患者在接受PD-1治療后的47個(gè)腫瘤活體組織進(jìn)行單細(xì)胞RNA和配對(duì)T細(xì)胞受體測(cè)序。觀察到治療后反應(yīng)性腫瘤中前體衰竭T（Texp）細(xì)胞的水平增加，其特點(diǎn)是共抑制分子的低表達(dá)和GZMK的高表達(dá)。相比之下，無反應(yīng)的腫瘤未能積累Texp細(xì)胞。數(shù)據(jù)表明，Texp細(xì)胞不太可能來自于終末衰竭細(xì)胞的重新激活，相反，它們是通過（1）局部擴(kuò)張和（2）由外周T細(xì)胞補(bǔ)充新的和原有的克隆型而積累的，這種現(xiàn)象稱之為克隆復(fù)興。研究提供對(duì)基于PD-1的治療機(jī)制的見解，暗示克隆復(fù)興和Texp細(xì)胞的擴(kuò)張是改善NSCLC治療的步驟。
（圖3：治療后反應(yīng)性腫瘤中Texp細(xì)胞的增加）
在研究中，利用scRNA-seq來了解抗PD-1與化療聯(lián)合治療的機(jī)制。使用基于TCR的譜系追蹤，確定人類肺癌中存在的兩種Texp細(xì)胞狀態(tài)，這些狀態(tài)與GZMK的高表達(dá)和衰竭特征的低表達(dá)相關(guān)。這些Texp細(xì)胞在治療后反應(yīng)性腫瘤中顯著增加，并且可能是對(duì)基于PD-1療法有反應(yīng)的主要細(xì)胞類型，這與之前的研究一致。這些Texp細(xì)胞不太可能來自終端Tex子集的恢復(fù)；相反，它們是通過克隆復(fù)蘇和預(yù)先存在的Texp細(xì)胞的擴(kuò)增而積累的，提供了對(duì)ICB治療機(jī)制的見解。
（圖4：已存在的Texp細(xì)胞的局部擴(kuò)增）
盡管某些NSCLC腫瘤中存在高基線Tex浸潤細(xì)胞，但僅在治療后的血液中檢測(cè)到腫瘤中許多預(yù)先存在的Tex克隆型。一種可能的解釋是，隨著腫瘤進(jìn)展的免疫抑制活性增加，在早期癌癥階段激活的某些腫瘤反應(yīng)性克隆隨著時(shí)間的推移在血液中逐漸減少。通過基于PD-1的治療，這些克隆被激活和擴(kuò)增，導(dǎo)致血液中的豐度增加。此外，新的和預(yù)先存在的Tex克隆的克隆復(fù)蘇表明，新招募的Texp細(xì)胞，無論是來自外周還是其他來源，如淋巴器官，可能是除局部擴(kuò)增外成功治療的另一個(gè)關(guān)鍵因素，盡管各自的這兩種模式對(duì)抗腫瘤免疫的貢獻(xiàn)需要進(jìn)一步研究。
（圖5：治療后Tex細(xì)胞的克隆恢復(fù)）
（圖6：治療后腫瘤反應(yīng)性T細(xì)胞的時(shí)間動(dòng)力學(xué)）
分析表明，ICB治療不同癌癥類型可能對(duì)Tex細(xì)胞亞群產(chǎn)生不同的影響。BCC和SCC腫瘤表現(xiàn)出響應(yīng)ICB的末端Tex細(xì)胞顯著擴(kuò)張，并且在最近的乳腺癌研究中也觀察到這種擴(kuò)張，而肺癌和黑色素瘤腫瘤傾向于積累Texp細(xì)胞，治療后終端Tex細(xì)胞顯著減少。這種差異可能是由于不同癌癥類型的免疫抑制程度不同，或者是由于這些肺癌患者使用的同步化療。未來增強(qiáng)Texp細(xì)胞積累的治療策略可能會(huì)進(jìn)一步改善這些癌癥的臨床反應(yīng)。在這項(xiàng)研究中，將末端Tex細(xì)胞視為腫瘤反應(yīng)性T細(xì)胞區(qū)室的代表，并基于這些Tex克隆型進(jìn)行了后續(xù)分析，盡管未來需要進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)來證明腫瘤特異性。鑒于在抗PD-1治療前和治療期間收集NSCLC患者連續(xù)臨床腫瘤活檢的挑戰(zhàn)，本研究中使用的樣本有限，因此未來需要基于更大的抗PD-1治療患者隊(duì)列開展工作概括此發(fā)現(xiàn)。此外，該結(jié)果主要基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步的功能實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
教授介紹
張澤民博士
張博士在南開大學(xué)獲得遺傳學(xué)學(xué)士學(xué)位，并在賓夕法尼亞州立大學(xué)獲得生物化學(xué)和分子生物學(xué)博士學(xué)位。在加入北京大學(xué)之前，張博士在Genentech/Roche工作了16年，領(lǐng)導(dǎo)癌癥基因組學(xué)和生物信息學(xué)小組，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和高通量測(cè)序等新技術(shù)發(fā)現(xiàn)抗癌目標(biāo)和生物標(biāo)志物。開創(chuàng)計(jì)算癌癥生物學(xué)和癌癥基因組學(xué)的多個(gè)研究方向，包括首次進(jìn)行全基因組腫瘤測(cè)序。他也是60項(xiàng)美國專利的發(fā)明人，并直接促成臨床試驗(yàn)中多種癌癥治療藥物分子靶點(diǎn)的初步發(fā)現(xiàn)。他是《細(xì)胞系統(tǒng)》和《基因組醫(yī)學(xué)》等雜志的編輯委員會(huì)成員，是CUSBEA學(xué)者，也是長江學(xué)者。
實(shí)驗(yàn)室旨在通過應(yīng)用前沿的基因組學(xué)和信息學(xué)技術(shù)解決癌癥生物學(xué)中的重要問題，幫助推進(jìn)癌癥免疫治療和靶向治療。將計(jì)算（干法）和實(shí)驗(yàn)（濕法）方法結(jié)合起來，以發(fā)現(xiàn)影響致癌過程、腫瘤微環(huán)境和藥物反應(yīng)的系統(tǒng)趨勢(shì)和特定因素。首先使用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)來描述腫瘤微環(huán)境的詳細(xì)組成和功能狀態(tài)，特別是腫瘤浸潤性免疫細(xì)胞的情況。還使用單細(xì)胞技術(shù)來解決腫瘤異質(zhì)性以及這種異質(zhì)性如何影響癌細(xì)胞的進(jìn)化和藥物反應(yīng)。第二，將新的生物信息學(xué)方法應(yīng)用于不斷擴(kuò)大的癌癥基因組學(xué)?"大數(shù)據(jù)"，以揭示癌癥亞型、驅(qū)動(dòng)基因和導(dǎo)致基因融合、等位基因特異性表達(dá)和腫瘤特異性表達(dá)等功能事件的基礎(chǔ)。第三，開發(fā)創(chuàng)新的生物信息學(xué)工具來分析、整合和可視化單細(xì)胞基因組學(xué)數(shù)據(jù)以及大規(guī)模的癌癥基因組學(xué)數(shù)據(jù)，使這些數(shù)據(jù)能夠有效地服務(wù)于廣大的研究界。通過癌癥免疫基因組學(xué)的進(jìn)展，帶來創(chuàng)新的癌癥免疫治療策略。
參考文獻(xiàn)
Baolin Liu,Xueda Hu et al.Temporal single-celltracing reveals clonal revival and expansion of precursor exhausted T cellsduring anti-PD-1 therapy in lung cancer.(2021)
