2021-11-02

Cancer Cell | 单细胞测序检测揭示CAR-T脱靶效应（2）

原创 风不止步 图灵基因 今天

收录于话题#前沿生物大数据分析

撰文：风不止步

IF=31.743

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亮点：

研究利用单细胞分析报告了CAR靶点在各种组织中潜在的靶向、非肿瘤毒性景观。随着更多来自正常组织的大规模人类单细胞全息数据的出现，靶标、肿瘤外毒性概况的普遍性和准确性可能会明显增加。

2021年10月21日，冷涵博士等人在《Cancer Cell》上发表了一篇“Expression of chimeric antigen receptor therapy targets detected by single-cell sequencing of normal cells may contribute to off-tumor toxicity”的综述。

嵌合抗原受体(CAR)工程细胞疗法，利用基因改造的免疫细胞来产生定制的免疫反应，已经彻底改变癌症治疗。近年来，CAR工程细胞疗法的临床试验的数量、类型和适应症迅速增加。然而，靶向、非肿瘤效应等，仍然是CAR工程细胞疗法的主要限制。通过审视人类蛋白质图谱和基因型等大量表达数据，创建一个CAR目标的治疗图谱。最近的研究表明，单细胞RNA测序（scRNA-seq）可以提供前所未有的高分辨率表达谱，根据靶点在稀有细胞亚群中的表达情况了解CAR疗法的疗效和安全性。例如，正常脑组织中的一小部分壁细胞表达CD19，并被CD19 CAR T细胞锁定，这可能会通过增加大脑的血管通透性导致神经毒性。为更好地了解CAR导向免疫疗法的效果，迫切需要对不同正常组织的各种细胞类型中不同的CAR靶点的表达进行系统的单细胞水平剖析。

在两个独立的单细胞队列中分析了591个CAR靶点的表达，其中包括71个在2021年1月前的临床试验中使用的和520个预测具有良好安全性的目标，包括来自基于Microwell-seq的人类细胞景观 (HCL) 和来自基于103 Genomics的成人细胞图谱(AHCA)的84,363成人细胞scRNA-seq数据。最近的一项研究发现，人脑中7,906个细胞（0.15%）中只有12 个CD19可测量的壁细胞可能会导致潜在毒性，因此我们通过将CAR目标定义为潜在风险基因（PRG）使用更严格的截止值。通过采用这一标准，分别从HCL和AHCA中识别出92个和88个PRG，并且在HCL和AHCA数据集中共享了57个PRG（超几何测试p = 7.17 3 10 29）；这一结果表明我们的分析是稳健的。通过允许用户选择不同的截止值（例如，可测量单元格的数量）来自定义数据门户中 PRG的定义，从而考虑到灵活性。值得注意的是，CD19和BCMA（也称为TNFRSF17）是已获批的CAR T细胞疗法用于治疗血液癌症的两个靶基因，在单细胞分析和之前的批量表达数据分析中显示出相对有限的表达模式。鉴于scRNA-seq分析稀有细胞群和/或类型的能力，能够识别出几种PRG，包括EGFR、PSCA和KDR(VEGFR2)，它们在特定组织中高于阈值，而这些组织尚未经过通过批量表达分析确定了一个关注的组织（图1A）。EGFR是在多项临床试验中研究的CAR靶点（例如NCT02331693和NCT03182816），在多种组织中表达，包括胃（307个可测量细胞，占胃总细胞的2.2%，包括基质细胞、杯状细胞和胃长细胞，图 1B)，尽管通过批量分析未将EGFR鉴定为胃组织中的危险表达模式。 EGFR CAR T细胞疗法的I期临床试验 (NCT01869166)报告了 EGFR阳性胆道癌和转移性胰腺癌患者的胃肠道不良事件，这与单细胞分析结果非常吻合。KDR是 NCT01218867中研究的CAR靶点，由于在多个组织中的单细胞水平表达而具有潜在风险，包括肝脏（455个可测量细胞，占肝脏总细胞的4.3%），这是通过批量数据分析确定的未检测到或低表达（图 1B）。

最近的研究开发了逻辑''和''开关，使CARs的构造更加复杂，以增加工程细胞的激活，并尽量减少毒性。构建一个由320,884个风险较小的逻辑''和''设计基因对的预定义列表的单细胞级安全景观。如果基因对中的两个基因在100个以上的非免疫细胞中同时可被测量，并且在至少一个组织中占细胞总数的2%以上，我们将其定义为潜在风险对（PRPs）。从HCL分析中确定2972个PRPs，从AHCA分析中确定了8895个PRPs，两个数据集共有1509个PRPs。其中，一些PRPs至少包括一个PRG。在HCL和AHCA中，EGFR-APP和EGFR SEC61G被确定为广泛表达于气管、甲状腺、胸膜、宫颈和动脉的细胞中。大多数不包含PRG的PRPs，如APP-CD63，在HCL的38,183个细胞（占总细胞的11.1%）中可以测量，在HCL的28个组织中扩大到22种不同的细胞类型，在AHCA的20,478个细胞（占总细胞的5.9%）中扩大到14种不同的细胞类型。

为了帮助研究界设计CAR靶点，开发一个用户友好的数据门户--单细胞水平的CAR靶点基因毒性（CARTSC;https://hanlab.tamhsc.edu/CARTSC/），以允许浏览和搜索单细胞水平的单一靶点和逻辑''和''设计开关表达。用户还可以检查免疫细胞和/或组织中选定基因的表达模式。

本研究利用单细胞分析报告了CAR靶点在各种组织中潜在的靶向、非肿瘤毒性景观。随着更多来自正常组织的大规模人类单细胞全息数据的出现，靶标、肿瘤外毒性概况的普遍性和准确性可能会明显增加。研究并不建议停止基于PRG和/或PRPs的临床试验。相反，应该提前考虑这些目标，以规避目标上、肿瘤外的毒性，并密切监测以获得毒性的早期迹象。

研究的几个局限性：由于缺乏大规模的单细胞蛋白质组学数据，无法基于单细胞分辨率的蛋白质表达来分析CAR靶标的潜在毒性。抗原表达密度是CAR细胞的一个重要考虑因素，在研究中无法对其进行表征。此外，scRNAseq中的稀疏表达模式无法分析激活剂-抑制剂（逻辑“和非”）基因对的潜在毒性，其中两个基因都在一个组织中表达以降低毒性。肿瘤和正常组织中全面的单细胞多组学数据将为预测与CAR疗法相关的毒性提供更多见解。将继续定期更新数据门户，以包括最新的单细胞转录组，未来将更深入地覆盖和/或丰富稀有细胞群。

教授介绍

冷涵博士，副教授-德克萨斯大学医学院UTMB生物化学与分子生物学系

研究兴趣：

尽管癌症治疗方案取得了进步，但大多数癌症类型仍然缺乏充分表征和有效的靶向疗法来改善疾病诊断、预后和患者生存结果。因此，迫切需要更全面地了解疾病的分子基础并开发新的预后和治疗策略。冷涵博士开创一系列泛癌方法，为癌症治疗提供临床见解，特别是了解药物反应的机制（Cell Systems，2018；Nature Metabolism，2019；Nature Immunology，2019；NatureCommunications，2019；Genome Medicine，2019；自然通讯，2020a；自然通讯，2020b；基因组医学，2020a；基因组医学，2020b；致癌基因，2021）。这些研究阐明了为目前缺乏有效治疗选择的癌症类型开发创新疗法的未来临床考虑。将进一步开发高度创新的预后和治疗策略，有可能对生物医学研究产生重大影响。

参考文献

Ying Jing, Yuan Liu et al .Expression of chimericantigen receptor therapy targets detected by single-cell sequencing of normalcells may contribute to off-tumor toxicity.(2021)