导读
免疫治疗改变了晚期肿瘤的治疗方式,但许多患者没有从这些药物中长期获益。其中T细胞是首要的抗肿瘤免疫调节因子并在免疫治疗反应中发挥着重要的作用。前段时间我看到The New England Journal of Medicine上发表了一篇文章名为Tumor-Infiltrating T Cells — A Portrait1给我带来很多启发,在此为大家解读这篇文章,并分享相关的科研思路。
文献速读
尽管免疫治疗已经在临床上取得了实质性进展,但我们并不了解肿瘤浸润性T细胞在不同类型癌症中的表型和功能,以及它们如何影响临床结果。近年来,单细胞RNA序列分析技术使我们能够更加深入了解各种肿瘤及其浸润性免疫细胞的细胞组成和表型。在研究慢性病毒感染和黑色素瘤的小鼠模型中,科学家们已经发现了高度功能失调的“终末衰竭”CD8+T(Tex)细胞、祖细胞以及能够增殖和分化的中间态T细胞亚群。此外,对人类单个肿瘤类型也有研究。比如在黑色素瘤的病人中Tex祖细胞在免疫治疗的作用以及肿瘤浸润性T细胞在肾细胞癌进展过程中的变化。但是,在不同类型肿瘤中,肿瘤浸润T细胞的表型和亚群尚未明确。值得注意的是近期张泽民教授团队发表文章对肿瘤免疫环境的T细胞异质性进行全面的阐述。
张泽民教授团队汇总了316名患者的397810条个体肿瘤浸润T细胞或循环T细胞scRNA序列(部分含有T细胞受体数据),并将其整合成具有21种不同肿瘤的T细胞泛癌图谱。其团队发现不同肿瘤中的CD8+T细胞和CD4+T细胞表型具有高度异质性。肿瘤中可见4种耗竭型CD8+T群体的富集,并通过计算细胞分化轨迹发现2条幼稚T细胞激活到终末CD8+T细胞耗竭的潜在途径:第一条途径通过GZMK(颗粒酶K)阳性效应记忆T细胞;另一条通过ZNF683(锌指蛋白683)表达阳性的组织驻留记忆T细胞(Trm)。尽管一些肿瘤以其中一种途径为主,但是在绝大多数肿瘤中都能发现这两种途径。同时,作者还发现了其他具有个体肿瘤特有的T细胞耗竭途径。
张泽民教授团队还推断出在肿瘤组织中富集的潜在肿瘤反应性CD4+T细胞——表达IFNγ(干扰素γ)的滤泡辅助性T细胞(Tfh)(或称1型辅助T细胞Th1)及表达TNFRSF9(肿瘤坏死因子受体超家族成员9)的调节性T细胞。上述细胞与Tex细胞同时存在肿瘤中,这一T细胞组合似乎会对I型干扰素和转化生长因子β产生应答反应。这一发现提示肿瘤微环境可能影响肿瘤浸润T细胞的表型。作者还发现临床特征(BMI)和体细胞肿瘤特征(肿瘤突变负荷和 FAT1 突变)会影响肿瘤浸润T细胞。最后,通过分析所有肿瘤样本中的T细胞组成,作者确定了两个的肿瘤组——富含Trm细胞组或Tex细胞组。外部数据表明,Tex细胞的富集在多种类型肿瘤中与更差的预后相关,且在黑色素瘤中导致患者对PD-L1阻滞剂敏感性下降。
该研究的数据不仅根据病理特征还综合浸润免疫细胞特征来定义肿瘤类型。最终,明确肿瘤免疫学特征(免疫原型)可能有助于精准免疫治疗的发展,这种新方法可以指导个体或组合疗法(针对特定免疫病理机制、针对靶标肿瘤抗原的抗原)。但是,仍需要对所提出的细胞表型的作用机制和分化途径进行功能验证,才能将这类计算数据转变为肿瘤免疫环境中的评估指标。在生物学层面,RNA表达情况可以影响对应蛋白质功能。此外,为了使T细胞发挥抗肿瘤活性,它们必须识别特异性肿瘤抗原,并克服免疫抑制细胞间的相互作用。因此,了解抗肿瘤T细胞的特定靶点、细胞相互作用方式以及空间位置,对于理解T细胞亚群对患者预后的影响以及提高癌症免疫疗法的疗效至关重要。
思路扩展:
目前,还有相当多的癌症患者不能够很好地响应肿瘤免疫治疗,其中很重要的一个原因就是我们对肿瘤微环境了解的不多,单细胞测序技术恰好可以解决这一问题。单细胞组学技术助力肿瘤免疫研究体现在多个方面,比如,能够让我们更进一步的了解肿瘤免疫微环境和肿瘤微环境,从而指导肿瘤免疫治疗的方案。
CAF通过调节血管生成、细胞外基质(ECM)的组织和TME中的炎症来诱导肿瘤的进展和转移。针对TME中肿瘤间质的药物,如血管生成抑制剂,正在开发中。然而,这些药物在一小部分患者中表现出的疗效有限。因此,迫切需要更全面地了解TME中间质细胞的概况,并更深入地了解不同癌症与TME细胞亚群之间的关系。如下案例中2,作者发现肿瘤上皮细胞表现出显著的瘤内和瘤间变异,而CAF主要表现为瘤内变异。此外,作者还在GC中鉴定了四个不同性质的CAF亚群。这四个CAF亚群与其邻近粘膜中的常驻成纤维细胞具有相似的特性,但同时也显示出增强的促肿瘤活性。此外,两个CAF亚群,炎性CAF(ICAF)和细胞外基质CAF(ECAF)与GC TME中相邻的免疫细胞亚群相关。ICAF通过分泌IL-6和CXCL12与T细胞相互作用,而ECAF通过Periostin(POSTN)表达与M2巨噬细胞相关。另外,ECAF作为促侵袭性CAF亚群减少了GC患者的总体生存时间。
同时,癌症相关成纤维细胞(CAF)被认为是检查点免疫治疗反应的潜在介质。然而,这些细胞的异质性阻碍了人们对它们在肿瘤微环境中的免疫调节作用的理解。于是下文3作者对4例患者肿瘤进行了单细胞RNA测序(scRNA-seq),这些肿瘤是晚期头颈部鳞状细胞癌患者并且接受了αpd-1(nivolumab)治疗。然后作者进行相关分析,鉴定出14种不同的CAF细胞类型。结果显示,成纤维细胞群体在接受nivolumab治疗后显示出显著的丰度变化。在成纤维细胞亚型中,HNCAF-0/3是nivolumab应答的预测指标,而HNCAF-1与免疫抑制有关。从功能上讲,HNCAF-0/3可减少的PD-1+TIM3+ CD8 T细胞的耗竭(TGFβ依赖性),增加CD103/NKG2A型T细胞的驻留记忆表型,并增强T细胞的细胞毒性作用。
简单的总结下单细胞分析CAF的切入点:CAF的异质性与其他基质细胞、肿瘤细胞的相互作者用,在肿瘤发展、转移、预后的作用(如上述案例一),对免疫治疗效果的评估(如上述案例二)。其中案例二的方法重复性高,容易学习,强烈推荐。
其在调节肿瘤炎症反应以及血管生成等方面发挥重要作用,因而成为肿瘤治疗的又一热门细胞。尽管单细胞转录组测序技术已经被广泛应于描述肿瘤浸润免疫细胞特征,并在特定肿瘤类型内鉴定出新的髓系细胞类群。但是,这些新鉴定的髓系细胞亚群是否广泛存在于各类肿瘤内部尚不清楚。比如,检查点免疫疗法增加了T细胞对肿瘤的控制,但受到免疫抑制髓系细胞的破坏。TREM2是一种髓系受体,当然肿瘤浸润性巨噬细胞也表达TREM2。在这里,作者发现TREM2-/-小鼠对各种癌症的生长比野生型小鼠更具抵抗力,并且对抗PD-1免疫治疗更敏感。此外,联合使用抗PD-1抗体时,抗TREM2单抗可抑制肿瘤生长并促进肿瘤消退。ScRNA-seq显示,TREM2缺失和抗TREM2都与肿瘤浸润液中MRC1+和CX3CR1+巨噬细胞的稀少有关,同时伴随着表达免疫刺激分子的髓系亚群的扩张,这些分子促进了T细胞反应的改善。TREM2在200多例人类癌症患者的肿瘤巨噬细胞中表达,并且与两种癌症的生存时间呈负相关。因此,TREM2可能被用于修饰肿瘤髓系浸润和加强检查点免疫治疗4。
肿瘤相关巨噬细胞,(Tumor-Associated Macrophages,TAMs)作为众多肿瘤浸润免疫细胞中最重要的亚群之一,在免疫系统和肿瘤细胞的相互作用过程中发挥着至关重要的作用。肿瘤相关巨噬细胞是实体肿瘤中大量存在的一种免疫细胞,在大多数人类肿瘤中,肿瘤相关巨噬细胞的浸润及其相关基因的表达严重影响肿瘤的预后和治疗效果。
免疫治疗,特别是抗体(Ab)介导的PD-1和PD-L1的阻断,在PD-L1表达阳性或阴性的多种肿瘤类型中均显示出持久的临床反应。但是我们对免疫治疗的机制目前知之甚少,这阻碍了新的免疫治疗策略的发展。在下文中5,胰腺癌(PAC)对免疫检查点治疗具有抵抗力,但其潜在机制尚不清楚。作者用不同的PAC细胞系建立了四种原位PAC小鼠模型。治疗检查表明,只有由Panc02-H7细胞诱导的肿瘤对αPD-1抗体治疗有反应,从而显著减少肿瘤生长并提高受体小鼠的存活率。单细胞转录图谱描述了肿瘤内不同细胞的分子活性。对比分析和验证实验表明,αPD-1敏感和耐药肿瘤以不同的方式塑造肿瘤免疫微环境中,并显著改变效应分子CD8+T细胞和肿瘤相关巨噬细胞的数量、频率和基因图谱。在耐药的Panc02形成的肿瘤与Panc02-H7形成的肿瘤相比,耐药的Panc02形成的肿瘤中检测到更多耗尽的CD8+T细胞和增加的M2样TAM,并降低了抗原提呈能力。总之,作者的数据强调了肿瘤诱导的巨噬细胞失衡与肿瘤驻留效应CD8+T细胞的命运以及对αPD-1免疫治疗的PAC反应的相关性。
免疫治疗所带来的的不良反应也是一大切入点免疫治疗发挥抗肿瘤的作用就是通过激活自身免疫系统来杀伤肿瘤。但是当免疫细胞被激活,有时又会反过来攻击自身组织。然而,导致严重副作用的免疫学机制仍然知之甚少。下文中6,作者对结肠炎免疫细胞群体的全面单细胞分析,结肠炎是检查点阻滞的一种常见和严重的副作用。作者观察到CD8T细胞显著积聚,并且处于高度细胞毒性和增殖状态,没有发现调节性T细胞耗竭。T细胞受体(TCR)序列分析表明,大部分与结肠炎相关CD8T细胞来自组织驻留群体,这就解释了为什么治疗开始后结肠炎经常发生。作者的分析还确定了细胞因子、趋化因子和表面受体可以作为结肠炎的治疗靶点,并可能成为其它炎症副作用(免疫检查点阻滞治疗导致)的治疗靶点。
总之,肿瘤免疫治疗是目前该领域最具前景的发展方向之一。随着PD-(L)1、CTLA-4等免疫检查点抑制剂应用范围逐渐扩大,对复发、难治性肿瘤患者表现出了突破性疗效,给更多肿瘤患者带来希望。同样,近60%的PD-(L)1、CTLA-4联合治疗患者出现严重的毒性反应等不良事件,也是停止治疗的重要原因。我们目前对其发生及发展的机制仍不清楚,如果能够找到应对的方法将会大大提高免疫检查点抑制剂的受益群体。
全文总结:
目前,单细胞测序技术可以使我们更加深入了解肿瘤微环境,并助力肿瘤免疫研究。这体现在多个方面,比如,能够让我们更进一步的了解肿瘤免疫微环境和肿瘤微环境,从而指导肿瘤免疫治疗的方案。因为还有相当多的癌症患者不能够很好地响应肿瘤免疫治疗,以及免疫治疗带来的不良反应也是大家关注的重点,单细胞测序技术可以加深这方面的研究。
参考文献
1. Braun DA, Wu CJ. Tumor-Infiltrating T Cells - A Portrait. N Engl J Med Mar 10 2022;386(10):992-994.doi:10.1056/NEJMcibr2119477.
2. Li X, Sun Z, Peng G, et al. Single-cell RNA sequencing reveals a pro-invasive cancer-associated fibroblast subgroup associated with poor clinical outcomes in patients with gastric cancer. Theranostics 2022;12(2):620-638.doi:10.7150/thno.60540.
3. Obradovic A, Graves D, Korrer M, et al. Immunostimulatory cancer-associated fibroblast subpopulations can predict immunotherapy response in head and neck cancer. Clin Cancer Res Mar 9 2022.doi:10.1158/1078-0432.CCR-21-3570.
4. Molgora M, Esaulova E, Vermi W, et al. TREM2 Modulation Remodels the Tumor Myeloid Landscape Enhancing Anti-PD-1 Immunotherapy. Cell Aug 20 2020;182(4):886-900 e817.doi:10.1016/j.cell.2020.07.013.
5. Zhou J, Jiang Y, Huang Y, et al. Single-cell RNA sequencing to characterize the response of pancreatic cancer to anti-PD-1 immunotherapy. Transl Oncol Jan 2022;15(1):101262.doi:10.1016/j.tranon.2021.101262.
6. Luoma AM, Suo S, Williams HL, et al. Molecular Pathways of Colon Inflammation Induced by Cancer Immunotherapy. Cell Aug 6 2020;182(3):655-671 e622.doi:10.1016/j.cell.2020.06.001.