Cancer Cell丨非小细胞肺癌单细胞分析细化了肿瘤分类和患者分层
原创 珍奇 图灵基因 今天
收录于话题#前沿分子生物学机制
撰文：珍奇
IF：31.743
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亮点：
本研究通过多尺度单细胞分析对更大的患者队列进行分析，从而定义在肿瘤微环境中诱导的分子免疫状态；通过测序将免疫细胞的单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）的结果与转录组和表位的细胞索引（CITE-seq）相结合；揭示了一种肿瘤间变异性模式，该模式在多个大量 RNA 数据集中得到验证，并与多种肿瘤类型的 TMB 和肿瘤驱动突变相关；验证了这种免疫模式为接受检查点阻断治疗的患者带来了预后益处。
当前针对大多数转移性和局部晚期非小细胞肺癌 (NSCLC) 患者的一线治疗方式是PD-1/PD-L1 轴的免疫检查点阻断剂，尽管检查点阻断剂提高了总生存期 (OS)，但大多数患者并未获得很好的临床效果，并且同时还承受着药物的毒性作用。2021年11月11日，Miriam Merad团队在《Cancer Cell》杂志上发表了一篇名为“Single-cell analysis of human non-small cell lung cancer lesions refines tumor classification and patient stratification”的文章，他们通过使用 scRNA-seq 和CITE-seq 对最大的 NSCLC 队列进行了分析，阐明了未经治疗的免疫反应共享和可变元素，并确定了肿瘤突变负荷和 TP53 突变的独立免疫修饰效应，形成了新抗原、驱动突变和免疫状态结合以驱动免疫治疗反应的精细模型。
为了探测肿瘤微环境中免疫细胞的转录状态，他们分析了来自接受切除手术且未经治疗的早期 NSCLC 患者的细胞。scRNA 图谱使用批次感知算法进行聚类以合并患者的数据。基于 RNA 的聚类确定了 6 个区室中的 49 个免疫簇，包括 T 细胞、B 细胞、浆细胞、肥大细胞、浆细胞样树突细胞 (pDC) 和单核吞噬细胞 (MNP)。总体而言，来自 35个肿瘤和 29 个匹配的 nLung 样本的 361,929 个单细胞被分类为 30 个带注释的转录状态。簇映射在 590 到 23,812 个细胞之间，所有簇都包括来自多个患者的细胞。CITE-seq 数据使用完善的蛋白质标记证实了细胞身份，并验证了在不同微环境下所观察到的肿瘤特征是稳健且可重复的。
DC在经scRNA-seq 和 CITE-seq解析之后可分为cDC1、cDC2，它们又被称为富含调节分子的成熟 DC 簇 (mregDC)。DC3 是最普遍的 DC 亚型，这些亚型在肿瘤中增加，mregDCs 是最罕见的，cDC1 在肿瘤中的比例大大减少。mregDC 的激活谱对于诱导肿瘤导向的 T 细胞反应至关重要，因此他们检查了 mregDC 在肿瘤中的分布，通过对DC-LAMP 和 PD-L1 进行染色，发现编码基因的转录本在 mregDC 簇中高度富集。
MF 中经典标记基因的表达可识别肺泡 MF (AMF)、间质 MF (IMF)、CD14+ 和CD16+ 单核细胞、MoMF 以及AZU1+ MF群体。为了评估 IMF 是否可以进一步细分，他们使用报告的前 50 个基因对 IMF 进行评分，以区分 CX3CR1+ 和 LYVE1+ IMF。CITE-seq 分析验证了基于转录的注释和与 MF 亚群相关的新表面标记。
CITE-seq 分析鉴定了具有自然杀伤 (NK) 样特征（TNK-like）、升高的GZMK（TGZMK）、与组织驻留相关的基因（ITGA1转录物和 CD103 和 CD69 蛋白；CD8+ Trm），以及一个富含 IFNG、GZMB、LAG3、CXCL13 和 HAVCR2 转录物以及增加的 PD-1、ICOS 和 CD39 蛋白（Tactivated) 的CD8+ T细胞。其他簇主要由CD4+ 细胞组成，可以分为 Treg、Trm、表达与中枢记忆一致的特征的细胞或原初细胞（TCM/naive-like-I），以及表达该特征和组织驻留特征的中间水平的细胞（TCM/naive-like-II）。接下来他们对来自三名患者的组织进行配对 scRNA-seq/TCR-seq，通过在nLung、肿瘤或两者中的扩展来划分 TCR，表明这些划分之间存在差异表型富集。在nLung 中，结果表明 Tactivated 在肿瘤中的积累部分是由于局部克隆扩增所致。此外，B 细胞和浆细胞在肿瘤中增加，而 B 细胞/浆细胞比率及浆细胞同种型比率没有显着的整体扰动。
为了确定可能驱动患者多样性的细胞表型之间的联系，他们将跨肿瘤的谱系归一化细胞类型频率相关联，揭示了 Tactivated、IgG+ 浆细胞和 MoMF-II 之间的高度相关性；因此，他们将这一组统称为肺癌激活模块 (LCAMhi)。与 LCAMhi 最抗相关的细胞类型是B 细胞、TCM/naive-like-II、AMF、cDC1、cDC2 和 AZU1+ MF (LCAMlo)。通过等于这些细胞类型的几何平均值的分数对患者进行排序显示，患者在这方面进行了很好的分层。他们将这种分层的极值分别称为 LCAMhi 和 LCAMlo 患者。包括来自外部数据集的样本支持整体模式。这种分层与谱系频率的变化没有很强的相关性，LCAMhi 和LCAMlo 组都显示谱系频率变化与整体肿瘤与 nLung 的差异一致，包括更少的 NK 和更多的 B 细胞和浆细胞。他们还观察到 LCAMhi 患者中 T 细胞和骨髓细胞之间的IFNG-IFNGR 强度增加。与 IFNG 反应一致，LCAMhi 患者在骨髓和 T 细胞之间具有更高的 CXCL9/10/11-CXCR3 轴激活。LCAMhi 和 LCAMlo 患者之间 LR 强度的差异支持 LCAM 患者分层，并提供对可能潜在 LCAM轴发展的免疫细胞串扰的洞察。
为了找出整体 LCAM 评分是否与特定的基质群体相关，他们导出了特定于在八位NSCLC 患者的公共数据集中确定的个体群体的基因列表，并使用这些列表来量化TCGA LUAD 数据中的富集。结果表明，整体 LCAM 评分与癌症相关成纤维细胞(CAF) 评分相关，与正常成纤维细胞评分反相关。
虽然TP53 突变常伴随着对检查点阻断有反应的 LUAD 肿瘤出现，且 TP53 突变状态(TP53mut) 与肿瘤微环境中的 CD8+ T 细胞相关，但免疫-个别突变的相关影响一般没有与 TMB 的影响进行比较。为了确定这些发现是否存在于其他肿瘤类型中，他们对TCGA 肺鳞状细胞癌 (LUSC) 病例进行了类似的分析。发现表明 LCAM 可能代表了多种癌症中存在的一种常见的免疫激活模式。
综上，本模型确定了一种免疫激活特征，该特征源自 scRNA-seq 和 CITE-seq 定义的免疫表型，作为肿瘤相关抗原负载和驱动突变状态的整合者，与整体免疫含量无关，并与对检查点封锁的反应相关联。因此，研究者认为LCAM轴可以作为更直接的抗原特异性、抗肿瘤免疫激活的衡量标准。
教授介绍：
Miram Merad，阿尔及利亚癌症免疫学教授，纽约西奈山伊坎医学院精密免疫学研究所所长，2018年威廉·科利基础免疫学杰出研究奖的核心人物，美国国家科学院院士。Merad教授曾确定了组织常驻巨噬细胞谱系，并揭示了其在器官生理学和病理生理学中的独特作用。她发现了这种巨噬体对癌症进展和炎症性疾病的影响，目前正在致力于开发针对这些疾病的新型巨噬体靶向疗法。除了巨噬细胞的研究外，Merad教授团队还发现了一组新的树突状细胞，现在它被认为是抗病毒和抗肿瘤免疫的关键靶点。
参考文献：
Leader AM, Grout JA, Maier BB, et al. Single-cell analysis of humannon-small cell lung cancer lesions refines tumor classification and patientstratification [published online ahead of print, 2021 Nov 2]. Cancer Cell.2021;S1535-6108(21)00560-2. doi:10.1016/j.ccell.2021.10.009
