Cancer Cell | 單細(xì)胞分析肺癌細(xì)化腫瘤分類和患者分層

原創(chuàng)?驕陽(yáng)似我?圖靈基因?2021-12-09 19:05

收錄于話題#前沿生物大數(shù)據(jù)分析

撰文：驕陽(yáng)似我

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免疫治療是非小細(xì)胞肺癌（NSCLC）治療的主要手段。雖然腫瘤突變負(fù)荷（TMB）與免疫治療反應(yīng)相關(guān)蔗喂，但對(duì)其與腫瘤基因型的關(guān)系知之甚少怕品。本文作者使用單細(xì)胞RNA測(cè)序的方法截碴，分析了35個(gè)早期NSCLC病變中的361929個(gè)細(xì)胞。發(fā)現(xiàn)了一個(gè)由PDCD1+CXCL13+激活的T細(xì)胞上沐、IgG+漿細(xì)胞和SPP1+巨噬細(xì)胞的細(xì)胞模塊，稱為肺癌激活模塊（LCAMhi）。作者在多個(gè)NSCLC隊(duì)列中確認(rèn)了LCAMhi的富集赋朦，并利用CITE-seq（細(xì)胞索引轉(zhuǎn)錄組和抗原決定簇測(cè)序）的方法建立了一個(gè)抗體小組來(lái)識(shí)別LCAMhi病變。發(fā)現(xiàn)LCAM的存在與整體免疫細(xì)胞含量無(wú)關(guān)李破，但與TMB宠哄、癌睪丸抗原和TP53突變相關(guān)。高基線LCAM評(píng)分與非小細(xì)胞肺癌患者對(duì)免疫治療的反應(yīng)增強(qiáng)相關(guān)TMB高于中位數(shù)嗤攻，表明免疫細(xì)胞成分雖然與TMB相關(guān)毛嫉，但可能是免疫治療反應(yīng)的非冗余生物標(biāo)記物。

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對(duì)于大多數(shù)轉(zhuǎn)移性和局部晚期非小細(xì)胞肺癌患者來(lái)講妇菱，針對(duì)PD-1/PD-L1軸的免疫檢查點(diǎn)阻斷技術(shù)是當(dāng)前的一線治療方案承粤。在這個(gè)治療方案上，雖然檢查點(diǎn)阻斷劑提高了患者的整體生存期闯团，但大多數(shù)患者仍然可能經(jīng)歷身體的痛苦和經(jīng)濟(jì)的壓力辛臊。這是由于我們對(duì)腫瘤相關(guān)免疫表型和檢查點(diǎn)阻斷反應(yīng)的具體機(jī)制尚未清楚，因此在治療方案中房交，難以確定最佳的生物標(biāo)志物彻舰。

近期，在Cancer cell雜志上發(fā)表了一篇名為“Single-cell analysis of human non-small cell lung cancer lesions refines tumor classification and patient stratification”的文章，本文的研究人員通過(guò)scRNA-seq和CITE-seq技術(shù)對(duì)人非小細(xì)胞肺癌進(jìn)行單細(xì)胞分析刃唤，研究了腫瘤突變負(fù)荷和TP53突變情況口猜，構(gòu)建了NSCLC腫瘤的細(xì)化分類以及患者分層的數(shù)據(jù)庫(kù)，為免疫療法的生物標(biāo)記物的選擇提供了重要的數(shù)據(jù)參考透揣。

為了探討腫瘤中免疫細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)微環(huán)境济炎，研究人員對(duì)未進(jìn)行治療的、早期的NSCLC患者體內(nèi)的腫瘤進(jìn)行切除并對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分析辐真，生成了三個(gè)整合抗體分析的數(shù)據(jù)集.使用CITE-seq须尚、scRNA-seq和T細(xì)胞受體測(cè)序（TCR-seq）對(duì)表面標(biāo)記進(jìn)行分析灶芝；對(duì)8名患者腫瘤和非肺部組織進(jìn)行CITE-seq生兆；對(duì)另外27名患者進(jìn)行了scRNA-seq仍侥。CITE-seq包括15個(gè)抗體恃慧，用于驗(yàn)證基于RNA的細(xì)胞類型注釋，并且在后續(xù)更具體的研究中污尉，擴(kuò)展到81種抗體坟乾。除此之外啃沪，研究人員對(duì)三名患者進(jìn)行了scRNA-seq和TCR-seq的聯(lián)合分析昧廷。使用算法對(duì)scRNA圖譜進(jìn)行聚類合并患者的數(shù)據(jù)堪嫂。基于RNA的聚類分析在包括T細(xì)胞木柬、B細(xì)胞皆串、漿細(xì)胞、眉枕，肥大細(xì)胞恶复、漿細(xì)胞樣樹突狀細(xì)胞（PDC）和單核透明吞噬細(xì)胞（MNP）∷偬簦總的來(lái)說(shuō)谤牡，35個(gè)細(xì)胞中有361929個(gè)單細(xì)胞腫瘤和29例匹配的非肺部樣本分為30例注釋轉(zhuǎn)錄狀態(tài)。在590和23812個(gè)單元格之間映射的簇姥宝，以及所有簇包括來(lái)自多個(gè)患者的細(xì)胞翅萤。研究人員檢查了8例中每個(gè)腫瘤的3個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，將細(xì)胞映射到模型中伶授。通過(guò)細(xì)胞類型的相關(guān)性對(duì)樣本進(jìn)行聚類分析断序，表明免疫細(xì)胞表型的差異主要是由腫瘤之間的差異而非區(qū)域取樣差異造成的流纹，這也驗(yàn)證了在研究中觀察到的獨(dú)特微環(huán)境糜烹，展示了觀察到的腫瘤信號(hào)是強(qiáng)烈的和可復(fù)制的，于是進(jìn)一步研究其中的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)差異與腫瘤分型之間的關(guān)系漱凝。圖1.scRNA-seq和CITE-seq建立了腫瘤微環(huán)境中轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的多樣性

富含調(diào)節(jié)分子的成熟DC的集群中包括cDC1疮蹦，cDC2，DC3茸炒。研究人員通過(guò)scRNA-seq和CITE-seq解析愕乎，檢測(cè)到腫瘤中cDC1的比例顯著降低阵苇，因?yàn)槌墒霥C的激活模式對(duì)于誘導(dǎo)腫瘤導(dǎo)向T細(xì)胞反應(yīng)，研究人員通過(guò)在單個(gè)玻片上對(duì)DC-LAMP和PD-L1進(jìn)行多重免疫組織化學(xué)連續(xù)染色感论，結(jié)果表明編碼基因的轉(zhuǎn)錄本在培養(yǎng)基中高度富集成熟DC簇绅项，突出顯示了在鄰近的三級(jí)淋巴結(jié)構(gòu)（TLS）中累積的細(xì)胞到T細(xì)胞。在統(tǒng)計(jì)學(xué)比肄，TLS的CD3陰性區(qū)域上類似于淋巴結(jié)B細(xì)胞區(qū)快耿，經(jīng)常出現(xiàn)由MYH11+濾泡DC填充，這是一種常見(jiàn)于B細(xì)胞區(qū)的基質(zhì)細(xì)胞類型芳绩。為了更好地理解DC3和其他MNPs掀亥，研究人員在CD14中尋找相互排斥的基因單核細(xì)胞、cDC2和單核細(xì)胞衍生的巨噬細(xì)胞妥色，表明DC3存在于表型譜上在單核細(xì)胞樣細(xì)胞和cDC2樣細(xì)胞之間搪花。而一些MoMF基因在DC3中的表達(dá)高于cDC2細(xì)胞。為了進(jìn)一步揭示這些基因的可變轉(zhuǎn)錄程序DC3和cDC不依賴于特定的細(xì)胞分類嘹害，研究人員檢測(cè)了所有受試者的可變基因之間的基因相關(guān)性撮竿。這種方法產(chǎn)生了一組跨細(xì)胞相關(guān)，獨(dú)立于集群分配的共表達(dá)基因笔呀。圖2.腫瘤內(nèi)DC由擴(kuò)張的DC3組成倚聚，并表達(dá)LCH樣信號(hào)

MF中經(jīng)典標(biāo)記基因的表達(dá)可識(shí)別肺泡MF（AMF）、組織間MF（IMF）凿可、CD14+和CD16+單核細(xì)胞惑折、MoMF和AZU1+的種群+MF。為了評(píng)估IMF是否可以進(jìn)一步細(xì)分枯跑，研究人員使用報(bào)道的前50個(gè)基因來(lái)區(qū)分CX3CR1+和LYVE1?惨驶，結(jié)果顯示不相關(guān)（r=0.09；p=9.0310 9)敛助，確認(rèn)沿軸的多樣性粗卜，但表明scRNA水平上的整體弱信號(hào)。通過(guò)檢測(cè)MoMF中基因模塊的表達(dá)模式纳击，研究人員發(fā)現(xiàn)將MoMF集群分為I–IV子類型：MoMF II集群表達(dá)最高水平的富含腫瘤的mod2续扔。包括SPP1和糖酵解基因（GAPDH、ENO1焕数、LDHA纱昧、AL DOA、TPI1）堡赔，以及較低水平的C1Q和HLA II類轉(zhuǎn)錄本（mod4和mod46）识脆。MoMF III在mod11中得到了豐富（包括TREM2和LILRB4）和mod14（包括APOE和GPNMB）。當(dāng)AMF耗盡且IMF頻率穩(wěn)定時(shí)。單核細(xì)胞頻率也可能降低灼捂±肜可能反映了MoMF或DC3的分化。鑒于nLung和tumor之間的MoMF亞群變化不同此外悉稠，研究人員還了解了這些差異與MoMF之間潛在的異質(zhì)性之間的關(guān)系宫蛆，以及這些差異所揭示的特征模塊分析。高表達(dá)基因編碼分泌型各MNP之間的因子表現(xiàn)出明顯差異的猛。MoMF II表達(dá)最高水平的炎癥反應(yīng)細(xì)胞因子TNF和IL6洒扎、編碼多效性因子SPP1、多種基質(zhì)金屬肽酶和CCR2/5的轉(zhuǎn)錄本配體CCL-2衰絮、-8和-7袍冷，而其他MoMF群體則表現(xiàn)出不太明顯的分泌譜。多個(gè)MNP表達(dá)CXCR3配體趨化因子CXCL-9猫牡，-10胡诗，和-11，包括MoMF淌友、DC3和mregDC煌恢。mregDC表達(dá)與T細(xì)胞相關(guān)的細(xì)胞因子和趨化因子，包括IL12B震庭、EBI3瑰抵、CCL17、CCL22器联、二汛，和CCL19。圖3.腫瘤排除AMF拨拓，并表現(xiàn)出MoMF的多樣性肴颊。

為了確定可能驅(qū)動(dòng)患者多樣性的細(xì)胞表型之間的關(guān)系，研究人員將各種譜系的細(xì)胞類型頻率進(jìn)行了相關(guān)性分析渣磷，發(fā)現(xiàn)了T免疫球蛋白漿細(xì)胞和MoMF-II婿着，研究人員將此稱為肺癌激活模塊，與LCAM最相關(guān)的細(xì)胞類型醋界，B細(xì)胞竟宋，TCM，AMF形纺，Cdc1丘侠，cdc2，AZU1+MF挡篓。根據(jù)這些細(xì)胞類型的幾何平均值對(duì)患者進(jìn)行排序婉陷，進(jìn)行分層帚称。這種分層與譜系頻率和LCAM的變化沒(méi)有很強(qiáng)的相關(guān)性官研，譜系變化與腫瘤總體一致秽澳，包括NK細(xì)胞較少，B細(xì)胞和漿細(xì)胞較多戏羽。為了驗(yàn)證LCAM分層在一個(gè)獨(dú)立隊(duì)列中是否具有可重復(fù)性担神，使用基于CITE-seq分析的標(biāo)記，研究人員開發(fā)了一個(gè)cYTOF面板始花，通過(guò)門控來(lái)模擬LCAM群體的變化妄讯，并借助該工具分析了另外6位患者的腫瘤。圖4.患者沿LCAM軸分層

為了找出集成LCAM評(píng)分是否與特定基質(zhì)人群相關(guān)酷宵，研究人員從8個(gè)NSCLC患者公共數(shù)據(jù)中集中獲取了針對(duì)特定個(gè)體人群的基因列表亥贸，并使用這些數(shù)據(jù)量化分析，結(jié)果證實(shí)浇垦，整體LCAM評(píng)分與癌相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAF）相關(guān)炕置，與正常成纖維細(xì)胞相關(guān)，并與這些評(píng)分的差異密切相關(guān)男韧，同時(shí)它與淋巴或血液內(nèi)皮細(xì)胞之間的相關(guān)性較弱或不存在相關(guān)性朴摊。這些數(shù)據(jù)表明LCAM與CAF之間的相關(guān)性。TMB是免疫反應(yīng)檢查點(diǎn)相應(yīng)最可靠的預(yù)測(cè)因子之一此虑，同時(shí)與集成LCAM相關(guān)甚纲。為了識(shí)別可能影響集合LCAM評(píng)分超越TMB的特征，研究人員集合LCAM評(píng)分回歸到logTMB上朦前，并將候選變量與殘差關(guān)聯(lián)起來(lái)介杆，從而基于這種量化關(guān)系觀察LCAM與預(yù)期的差異性，量化預(yù)測(cè)的總抗原與這些殘差不相關(guān)韭寸，反而與總癌睪丸抗原相關(guān)这溅。總的來(lái)說(shuō)棒仍，通過(guò)scRNA-seq對(duì)列悲靴，表明LCAM模塊的表達(dá)是對(duì)突變和腫瘤適應(yīng)性反應(yīng)的標(biāo)志。圖5.與LCAM相關(guān)的腫瘤特征莫其。

本文通過(guò)對(duì)35例NSCLC患者的腫瘤和非肺部組織進(jìn)行scRNA-seq和CITE-seq分析癞尚，建立了迄今為止最大的早期肺癌免疫反應(yīng)的scRNA圖，并進(jìn)一步統(tǒng)一了細(xì)胞分類的高維模型乱陡。通過(guò)集成公共數(shù)據(jù)并利用CITE-seq來(lái)設(shè)計(jì)檢測(cè)抗體浇揩，證實(shí)了體系的可重復(fù)性，通過(guò)對(duì)其中免疫細(xì)胞類型的分析建立了對(duì)NSCLC腫瘤進(jìn)行詳細(xì)分型的LCAM模塊憨颠，說(shuō)明LCAM可以作為更直接的衡量抗原特異性抗腫瘤免疫激活的指標(biāo)胳徽，這項(xiàng)研究對(duì)免疫治療過(guò)程中最佳標(biāo)志物的選擇提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支持积锅。

教授介紹：

Ephraim Kenigsberg

Ephraim Kenigsberg是美國(guó)西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)和基因組科學(xué)系博士，助理教授养盗。在計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合方向有獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)缚陷，在知名雜志發(fā)表論文40余篇，其主要研究方向?yàn)槔酶咄繙y(cè)序往核、遺傳學(xué)箫爷、免疫學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)的角度對(duì)人類疾病以及精準(zhǔn)醫(yī)療開展研究研發(fā)聂儒。

參考文獻(xiàn)：

Andrew M. Leader,?et al. Single-cell analysis of human non-small celllung cancer lesions refines tumor classification and patient stratification?[J].Cancer Cell. 2021 Nov 11:S1535-6108(21)00560-2?