Nature Cancer | 时序单细胞追踪揭示抗PD-1免疫治疗在肺癌中的作用机制
原创 风不止步 图灵基因 2022-01-08 13:52
收录于话题#前沿分子生物学机制
撰文：风不止步
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亮点：
以PD-1抗体为代表的免疫疗法显著改善了癌症治疗现状，但免疫治疗只在一部分癌症患者中发挥作用。为了促进下一代免疫治疗的发展，首先需要清楚anti-PD-1治疗的作用机制。
2021年12月23日，北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）、生命科学学院、北京未来基因诊断高精尖创新中心（ICG）张泽民课题组联合301医院韩为东课题组，在《Nature Cancer》上发表了题为：Temporal single-cell tracing reveals clonal revival and expansion of precursor exhausted T cells during anti-PD-1 therapy in lung cancer 的研究论文，提出了克隆复兴（clonal revival）并揭示PD-1抗体治疗在肺癌中的作用机制。
旨在阐明ICB治疗机制的肺癌研究集中在大宗肿瘤的全外显子组测序，但这种策略在了解检查点阻断的免疫反应的细胞基础方面是有限的。单细胞RNA测序（scRNA-seq）是剖析复杂生物系统细胞多样性较好的方法，但目前对肺癌的scRNA-seq分析集中在治疗前的肿瘤上，主要是由于在多个治疗时间点获得高质量的人类肿瘤样本的挑战。最近的一项肺癌研究分析了治疗后肿瘤中的新抗原特异性T细胞，而治疗后这种细胞的时间变化仍然难以捉摸。为解决这些限制，利用scRNA-seq分析来全面描述抗PD-1与化疗联合治疗后分离的肿瘤活检中T细胞的时间动态，能够更好地解释基于PD-1治疗的基本机制。
（图1：在治疗前和治疗期间的T细胞的特性）
免疫检查点阻断（ICB）能够通过破坏共抑制性T细胞信号来增强抗肿瘤免疫力，代表着癌症治疗模式的巨大转变。然而，对这种疗法的显著反应仅限于少数NSCLC患者，突出了对其他治疗策略的需求。为了促进下一代免疫疗法的合理设计，首先了解ICB诱导的肿瘤排斥反应的分子和免疫学机制是至关重要的。以前的研究报道，PD-1通路阻断可以逆转慢性病毒感染期间终末耗尽的Texp细胞的功能障碍状态，提出了一个广泛的ICB治疗机制。然而，随着对这一问题的集中解决，新出现的证据表明，终末期Tex细胞的表观遗传稳定性很难改变，可能会限制这种恢复活力的作用。最近的观察也支持这样的观点，表明浸润的新克隆而不是先前存在的克隆在癌症治疗中起着主导作用。此外，多项研究将临床结果与Texp细胞联系起来，包括干细胞和随后转化为终端Tex亚群的过渡性细胞，但终端Tex和Texp细胞在人类癌症治疗过程中如何对抗PD-1作出反应仍是未知数。
（图2：Texp细胞的鉴定和CXCL13的表达）
作者对36名NSCLC患者在接受PD-1治疗后的47个肿瘤活体组织进行单细胞RNA和配对T细胞受体测序。观察到治疗后反应性肿瘤中前体衰竭T（Texp）细胞的水平增加，其特点是共抑制分子的低表达和GZMK的高表达。相比之下，无反应的肿瘤未能积累Texp细胞。数据表明，Texp细胞不太可能来自于终末衰竭细胞的重新激活，相反，它们是通过（1）局部扩张和（2）由外周T细胞补充新的和原有的克隆型而积累的，这种现象称之为克隆复兴。研究提供对基于PD-1的治疗机制的见解，暗示克隆复兴和Texp细胞的扩张是改善NSCLC治疗的步骤。
（图3：治疗后反应性肿瘤中Texp细胞的增加）
在研究中，利用scRNA-seq来了解抗PD-1与化疗联合治疗的机制。使用基于TCR的谱系追踪，确定人类肺癌中存在的两种Texp细胞状态，这些状态与GZMK的高表达和衰竭特征的低表达相关。这些Texp细胞在治疗后反应性肿瘤中显着增加，并且可能是对基于PD-1疗法有反应的主要细胞类型，这与之前的研究一致。这些Texp细胞不太可能来自终端Tex子集的恢复；相反，它们是通过克隆复苏和预先存在的Texp细胞的扩增而积累的，提供了对ICB治疗机制的见解。
（图4：已存在的Texp细胞的局部扩增）
尽管某些NSCLC肿瘤中存在高基线Tex浸润细胞，但仅在治疗后的血液中检测到肿瘤中许多预先存在的Tex克隆型。一种可能的解释是，随着肿瘤进展的免疫抑制活性增加，在早期癌症阶段激活的某些肿瘤反应性克隆随着时间的推移在血液中逐渐减少。通过基于PD-1的治疗，这些克隆被激活和扩增，导致血液中的丰度增加。此外，新的和预先存在的Tex克隆的克隆复苏表明，新招募的Texp细胞，无论是来自外周还是其他来源，如淋巴器官，可能是除局部扩增外成功治疗的另一个关键因素，尽管各自的这两种模式对抗肿瘤免疫的贡献需要进一步研究。
（图5：治疗后Tex细胞的克隆恢复）
（图6：治疗后肿瘤反应性T细胞的时间动力学）
分析表明，ICB治疗不同癌症类型可能对Tex细胞亚群产生不同的影响。BCC和SCC肿瘤表现出响应ICB的末端Tex细胞显着扩张，并且在最近的乳腺癌研究中也观察到这种扩张，而肺癌和黑色素瘤肿瘤倾向于积累Texp细胞，治疗后终端Tex细胞显着减少。这种差异可能是由于不同癌症类型的免疫抑制程度不同，或者是由于这些肺癌患者使用的同步化疗。未来增强Texp细胞积累的治疗策略可能会进一步改善这些癌症的临床反应。在这项研究中，将末端Tex细胞视为肿瘤反应性T细胞区室的代表，并基于这些Tex克隆型进行了后续分析，尽管未来需要进行体外实验来证明肿瘤特异性。鉴于在抗PD-1治疗前和治疗期间收集NSCLC患者连续临床肿瘤活检的挑战，本研究中使用的样本有限，因此未来需要基于更大的抗PD-1治疗患者队列开展工作概括此发现。此外，该结果主要基于转录组数据，需要进一步的功能实验进行验证。
教授介绍
张泽民博士
张博士在南开大学获得遗传学学士学位，并在宾夕法尼亚州立大学获得生物化学和分子生物学博士学位。在加入北京大学之前，张博士在Genentech/Roche工作了16年，领导癌症基因组学和生物信息学小组，利用机器学习和高通量测序等新技术发现抗癌目标和生物标志物。开创计算癌症生物学和癌症基因组学的多个研究方向，包括首次进行全基因组肿瘤测序。他也是60项美国专利的发明人，并直接促成临床试验中多种癌症治疗药物分子靶点的初步发现。他是《细胞系统》和《基因组医学》等杂志的编辑委员会成员，是CUSBEA学者，也是长江学者。
实验室旨在通过应用前沿的基因组学和信息学技术解决癌症生物学中的重要问题，帮助推进癌症免疫治疗和靶向治疗。将计算（干法）和实验（湿法）方法结合起来，以发现影响致癌过程、肿瘤微环境和药物反应的系统趋势和特定因素。首先使用单细胞测序技术来描述肿瘤微环境的详细组成和功能状态，特别是肿瘤浸润性免疫细胞的情况。还使用单细胞技术来解决肿瘤异质性以及这种异质性如何影响癌细胞的进化和药物反应。第二，将新的生物信息学方法应用于不断扩大的癌症基因组学 "大数据"，以揭示癌症亚型、驱动基因和导致基因融合、等位基因特异性表达和肿瘤特异性表达等功能事件的基础。第三，开发创新的生物信息学工具来分析、整合和可视化单细胞基因组学数据以及大规模的癌症基因组学数据，使这些数据能够有效地服务于广大的研究界。通过癌症免疫基因组学的进展，带来创新的癌症免疫治疗策略。
参考文献
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)