Nature Cancer | 時序單細胞追蹤揭示抗PD-1免疫治療在肺癌中的作用機制
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)狀弧关，但免疫治療只在一部分癌癥患者中發(fā)揮作用。為了促進下一代免疫治療的發(fā)展哗咆，首先需要清楚anti-PD-1治療的作用機制闺阱。
2021年12月23日官套，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）派撕、生命科學(xué)學(xué)院废麻、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)院韓為東課題組灶似，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?的研究論文列林，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制。
旨在闡明ICB治療機制的肺癌研究集中在大宗腫瘤的全外顯子組測序喻奥，但這種策略在了解檢查點阻斷的免疫反應(yīng)的細胞基礎(chǔ)方面是有限的席纽。單細胞RNA測序（scRNA-seq）是剖析復(fù)雜生物系統(tǒng)細胞多樣性較好的方法捏悬，但目前對肺癌的scRNA-seq分析集中在治療前的腫瘤上撞蚕，主要是由于在多個治療時間點獲得高質(zhì)量的人類腫瘤樣本的挑戰(zhàn)。最近的一項肺癌研究分析了治療后腫瘤中的新抗原特異性T細胞过牙，而治療后這種細胞的時間變化仍然難以捉摸甥厦。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細胞的時間動態(tài)寇钉，能夠更好地解釋基于PD-1治療的基本機制刀疙。
（圖1：在治療前和治療期間的T細胞的特性）
免疫檢查點阻斷（ICB）能夠通過破壞共抑制性T細胞信號來增強抗腫瘤免疫力，代表著癌癥治療模式的巨大轉(zhuǎn)變扫倡。然而谦秧，對這種療法的顯著反應(yīng)僅限于少數(shù)NSCLC患者，突出了對其他治療策略的需求撵溃。為了促進下一代免疫療法的合理設(shè)計疚鲤，首先了解ICB誘導(dǎo)的腫瘤排斥反應(yīng)的分子和免疫學(xué)機制是至關(guān)重要的。以前的研究報道缘挑，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細胞的功能障礙狀態(tài)集歇，提出了一個廣泛的ICB治療機制。然而语淘，隨著對這一問題的集中解決诲宇，新出現(xiàn)的證據(jù)表明，終末期Tex細胞的表觀遺傳穩(wěn)定性很難改變惶翻，可能會限制這種恢復(fù)活力的作用姑蓝。最近的觀察也支持這樣的觀點，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)作用吕粗。此外它掂，多項研究將臨床結(jié)果與Texp細胞聯(lián)系起來，包括干細胞和隨后轉(zhuǎn)化為終端Tex亞群的過渡性細胞，但終端Tex和Texp細胞在人類癌癥治療過程中如何對抗PD-1作出反應(yīng)仍是未知數(shù)虐秋。
（圖2：Texp細胞的鑒定和CXCL13的表達）
作者對36名NSCLC患者在接受PD-1治療后的47個腫瘤活體組織進行單細胞RNA和配對T細胞受體測序榕茧。觀察到治療后反應(yīng)性腫瘤中前體衰竭T（Texp）細胞的水平增加絮姆，其特點是共抑制分子的低表達和GZMK的高表達鸭栖。相比之下，無反應(yīng)的腫瘤未能積累Texp細胞报慕。數(shù)據(jù)表明靶剑，Texp細胞不太可能來自于終末衰竭細胞的重新激活蜻拨，相反，它們是通過（1）局部擴張和（2）由外周T細胞補充新的和原有的克隆型而積累的桩引，這種現(xiàn)象稱之為克隆復(fù)興缎讼。研究提供對基于PD-1的治療機制的見解，暗示克隆復(fù)興和Texp細胞的擴張是改善NSCLC治療的步驟坑匠。
（圖3：治療后反應(yīng)性腫瘤中Texp細胞的增加）
在研究中血崭，利用scRNA-seq來了解抗PD-1與化療聯(lián)合治療的機制。使用基于TCR的譜系追蹤厘灼，確定人類肺癌中存在的兩種Texp細胞狀態(tài)夹纫，這些狀態(tài)與GZMK的高表達和衰竭特征的低表達相關(guān)。這些Texp細胞在治療后反應(yīng)性腫瘤中顯著增加设凹，并且可能是對基于PD-1療法有反應(yīng)的主要細胞類型舰讹，這與之前的研究一致。這些Texp細胞不太可能來自終端Tex子集的恢復(fù)闪朱；相反月匣，它們是通過克隆復(fù)蘇和預(yù)先存在的Texp細胞的擴增而積累的，提供了對ICB治療機制的見解奋姿。
（圖4：已存在的Texp細胞的局部擴增）
盡管某些NSCLC腫瘤中存在高基線Tex浸潤細胞锄开，但僅在治療后的血液中檢測到腫瘤中許多預(yù)先存在的Tex克隆型。一種可能的解釋是胀蛮，隨著腫瘤進展的免疫抑制活性增加院刁，在早期癌癥階段激活的某些腫瘤反應(yīng)性克隆隨著時間的推移在血液中逐漸減少。通過基于PD-1的治療粪狼，這些克隆被激活和擴增退腥，導(dǎo)致血液中的豐度增加。此外再榄，新的和預(yù)先存在的Tex克隆的克隆復(fù)蘇表明狡刘，新招募的Texp細胞，無論是來自外周還是其他來源困鸥，如淋巴器官嗅蔬，可能是除局部擴增外成功治療的另一個關(guān)鍵因素剑按，盡管各自的這兩種模式對抗腫瘤免疫的貢獻需要進一步研究。
（圖5：治療后Tex細胞的克隆恢復(fù)）
（圖6：治療后腫瘤反應(yīng)性T細胞的時間動力學(xué)）
分析表明澜术，ICB治療不同癌癥類型可能對Tex細胞亞群產(chǎn)生不同的影響艺蝴。BCC和SCC腫瘤表現(xiàn)出響應(yīng)ICB的末端Tex細胞顯著擴張，并且在最近的乳腺癌研究中也觀察到這種擴張鸟废，而肺癌和黑色素瘤腫瘤傾向于積累Texp細胞猜敢，治療后終端Tex細胞顯著減少。這種差異可能是由于不同癌癥類型的免疫抑制程度不同盒延，或者是由于這些肺癌患者使用的同步化療缩擂。未來增強Texp細胞積累的治療策略可能會進一步改善這些癌癥的臨床反應(yīng)。在這項研究中添寺，將末端Tex細胞視為腫瘤反應(yīng)性T細胞區(qū)室的代表胯盯，并基于這些Tex克隆型進行了后續(xù)分析，盡管未來需要進行體外實驗來證明腫瘤特異性计露。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)博脑，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治療患者隊列開展工作概括此發(fā)現(xiàn)薄坏。此外趋厉，該結(jié)果主要基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)寨闹，需要進一步的功能實驗進行驗證胶坠。
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)位繁堡。在加入北京大學(xué)之前沈善，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)小組椭蹄，利用機器學(xué)習(xí)和高通量測序等新技術(shù)發(fā)現(xiàn)抗癌目標(biāo)和生物標(biāo)志物闻牡。開創(chuàng)計算癌癥生物學(xué)和癌癥基因組學(xué)的多個研究方向，包括首次進行全基因組腫瘤測序绳矩。他也是60項美國專利的發(fā)明人罩润，并直接促成臨床試驗中多種癌癥治療藥物分子靶點的初步發(fā)現(xiàn)。他是《細胞系統(tǒng)》和《基因組醫(yī)學(xué)》等雜志的編輯委員會成員翼馆，是CUSBEA學(xué)者割以，也是長江學(xué)者。
實驗室旨在通過應(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)中的重要問題应媚，幫助推進癌癥免疫治療和靶向治療严沥。將計算（干法）和實驗（濕法）方法結(jié)合起來，以發(fā)現(xiàn)影響致癌過程中姜、腫瘤微環(huán)境和藥物反應(yīng)的系統(tǒng)趨勢和特定因素消玄。首先使用單細胞測序技術(shù)來描述腫瘤微環(huán)境的詳細組成和功能狀態(tài)，特別是腫瘤浸潤性免疫細胞的情況。還使用單細胞技術(shù)來解決腫瘤異質(zhì)性以及這種異質(zhì)性如何影響癌細胞的進化和藥物反應(yīng)翩瓜。第二受扳，將新的生物信息學(xué)方法應(yīng)用于不斷擴大的癌癥基因組學(xué)?"大數(shù)據(jù)"，以揭示癌癥亞型兔跌、驅(qū)動基因和導(dǎo)致基因融合辞色、等位基因特異性表達和腫瘤特異性表達等功能事件的基礎(chǔ)。第三浮定，開發(fā)創(chuàng)新的生物信息學(xué)工具來分析相满、整合和可視化單細胞基因組學(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)于廣大的研究界桦卒。通過癌癥免疫基因組學(xué)的進展立美，帶來創(chuàng)新的癌癥免疫治療策略。
參考文獻
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)
