Nat Comm | 如何用體細胞突變更好預(yù)測免疫治療反應(yīng)

原創(chuàng)?圖靈基因?圖靈基因?2022-07-31 10:10?發(fā)表于江蘇

收錄于合集#前沿分子生物學(xué)機制

免疫療法，例如免疫檢查點抑制劑，已經(jīng)改變了晚期癌癥的治療。與殺死癌細胞的化學(xué)療法不同，這些藥物可幫助人體的免疫系統(tǒng)自行發(fā)現(xiàn)并摧毀癌細胞。然而，只有一小部分患者對免疫檢查點抑制劑有長期反應(yīng)，而這些治療方法的成本很高，而且有副作用。

紐約大學(xué)、Weill Cornell醫(yī)學(xué)院和紐約基因組中心的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種兩步法，使用全外顯子組測序，將預(yù)測癌癥患者是否會對免疫療法產(chǎn)生反應(yīng)的基因和通路歸零。這項工作說明了使用全外顯子組測序如何比目前的實驗室測試更好地預(yù)測治療反應(yīng)。

“這些結(jié)果表明，使用更廣泛的診斷方法，如全外顯子組甚至全基因組測序，可能會顯著提高我們預(yù)測誰將對免疫治療產(chǎn)生實質(zhì)性反應(yīng)的能力，這表明更多的數(shù)據(jù)確實有助于更好地預(yù)測治療反應(yīng)。”Weill Cornell醫(yī)學(xué)院計算基因組學(xué)副教授、病理學(xué)和實驗醫(yī)學(xué)副教授、紐約基因組中心核心教員Marcin Imielinski博士說。Imieliński是該團隊在《Nature Communications》上發(fā)表的論文的共同資深作者，該論文標(biāo)題為“Recurrent somatic mutations as predictors of immunotherapy response”。

作者寫道，免疫檢查點阻斷（ICB）已經(jīng)改變了轉(zhuǎn)移性癌癥的治療，但受到不同反應(yīng)率的阻礙。“一個關(guān)鍵的未滿足需求是識別預(yù)測治療反應(yīng)的生物標(biāo)志物?！币阎恍┥飿?biāo)志物——包括年齡、腫瘤類型和癌細胞中發(fā)現(xiàn)的突變數(shù)量（稱為腫瘤突變負荷）與免疫療法的反應(yīng)相關(guān)。通過分析數(shù)百個基因計算得出的腫瘤突變負荷?(TMB)?是最成熟的預(yù)測因子，通常用于確定患者是否有資格使用免疫檢查點抑制劑?！癟MB高的腫瘤被認(rèn)為具有更高的免疫原性，因此由于其新抗原的負擔(dān)增加，對ICB有反應(yīng)?！弊髡呓忉尩?。

然而，正如共同資深作者Neville Sanjana博士所問的那樣，“我們能否更好地預(yù)測誰將從免疫療法中受益？科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出各種有助于預(yù)測免疫療法治療反應(yīng)的生物標(biāo)志物，但仍然需要一個強大的、臨床實用的預(yù)測模型。”Sanjana是紐約大學(xué)生物學(xué)助理教授，紐約大學(xué)Grossman醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)和生理學(xué)助理教授，紐約基因組中心的核心教員。

如果科學(xué)家們研究我們基因中更大的一部分，這是否有助于更好地預(yù)測哪些患者會對免疫療法產(chǎn)生反應(yīng)？全外顯子組測序是一種對編碼蛋白質(zhì)的基因組部分進行測序的方法——大約20000個基因，或基因組的2%——以尋找可能與疾病有關(guān)的突變。

盡管最近一些關(guān)于免疫療法的研究已經(jīng)開始包括測序，但全外顯子組測序并未廣泛用于癌癥治療。這些研究規(guī)模雖小，但結(jié)合起來有助于闡明基因組因素與患者對免疫療法的反應(yīng)之間的關(guān)系。然而，作者指出，“盡管最近的全外顯子組測序（WES）研究試圖超越TMB，將特定的DNA改變與ICB反應(yīng)聯(lián)系起來，但它們受到樣本量小和（全基因組）分析方法能力不足的限制。”

在他們的研究中，研究人員結(jié)合了之前對黑色素瘤、肺癌、膀胱癌和頭頸癌患者進行的六項免疫治療研究的數(shù)據(jù)。使用抗PD-1或抗CTLA-4免疫檢查點抑制劑治療的所有參與者均可使用全外顯子組測序。但即使將這六項研究結(jié)合起來，患者的數(shù)量——總共319人——仍然相對較少。“……雖然我們通過匯集多項研究建立了一個更大的隊列，但樣本量仍然限制了全基因組的意義。”該團隊承認(rèn)。

“只有幾百人參與的小型研究的問題是患者數(shù)量與全外顯子組測序中測序的大量基因之間的不匹配。”該研究的第一作者、Sanjana實驗室的研究生Zoran Gajic說，“理想情況下，我們應(yīng)該擁有一個患者多于基因的數(shù)據(jù)集?！?/p>

為了解決這個問題，研究人員轉(zhuǎn)向了一種名為fishHook的模型，該模型將導(dǎo)致癌癥的突變與背景突變或偶然發(fā)生但與癌癥無關(guān)的突變區(qū)分開來。該模型校正了一系列影響背景突變率的因素——例如，調(diào)整基因的大小，因為較大的基因更有可能發(fā)生突變?！盀榱嗽诰酆厦庖咧委熽犃兄凶R別陽性選擇的基因和通路，我們采用了fishHook，這是一種最初開發(fā)用于研究全基因組測序中非編碼突變復(fù)發(fā)的統(tǒng)計方法。”該團隊指出，“我們將fishHook分析限制在WES始終捕獲的19688個基因的編碼區(qū)?！?/p>

利用該模型，研究人員采用了一個兩步的方法：首先，他們觀察所有患者的測序，以發(fā)現(xiàn)任何突變負擔(dān)比預(yù)期更高的基因，調(diào)整基因大小等基因組因素，或者某一特定DNA片段是否是一個已知的熱點，往往會積累更多的突變。這產(chǎn)生了六個具有可疑高突變負擔(dān)的基因。

接下來，研究人員確定這六個基因中是否有任何一個在對免疫療法有反應(yīng)或沒有反應(yīng)的人身上富集。其中兩個基因——肺癌中經(jīng)常發(fā)生突變的基因KRAS和黑色素瘤中最常見的突變基因BRAF——在對免疫治療有反應(yīng)的患者中富集。相比之下，另外兩個基因——TP53和BCLAF1——在那些對免疫療法沒有反應(yīng)的人中富集。BCLAF1尚未得到很好的研究，但這些發(fā)現(xiàn)表明，具有BCLAF1突變的患者對免疫檢查點抑制劑的反應(yīng)較小。“總的來說，我們從邏輯回歸中確定了4個ICB反應(yīng)預(yù)測基因（BCLAF1、BRAF、KRAS和TP53）。”作者指出。

使用相同的兩步方法，研究人員接下來確定某些途徑（MAPK信號、p53相關(guān)和免疫調(diào)節(jié)）也可以預(yù)測免疫檢查點抑制劑的反應(yīng)。

隨后，他們將這四個基因和三條通路與其他預(yù)測變量（如年齡、腫瘤類型和腫瘤突變負荷）相結(jié)合，創(chuàng)建了一個他們命名為癌癥免疫治療反應(yīng)分類器（CIRCLE）的工具。他們發(fā)現(xiàn)，與單獨的腫瘤突變負荷相比，CIRCLE更好地預(yù)測了ICB反應(yīng)，敏感性提高了10.5%，特異性提高了11%。CIRCLE還能夠準(zhǔn)確預(yù)測免疫治療后的癌癥存活率?！斑@些結(jié)果表明，使用更廣泛的診斷方法，如全外顯子組甚至全基因組測序，可以顯著提高我們預(yù)測誰將對免疫治療產(chǎn)生實質(zhì)性反應(yīng)的能力，這表明更多的數(shù)據(jù)確實有助于更好地預(yù)測治療反應(yīng)?！盬eill Cornell醫(yī)學(xué)院計算基因組學(xué)副教授、病理學(xué)和實驗醫(yī)學(xué)副教授、紐約基因組中心核心教員、該研究的共同資深作者Marcin Imieliński說。

為了驗證他們的方法，研究人員對另外165名接受免疫療法治療的具有全外顯子組測序的癌癥患者的數(shù)據(jù)進行了CIRCLE測試，發(fā)現(xiàn)CIRCLE捕獲的預(yù)測信息超出了僅從腫瘤突變負荷獲得的信息。

“我們的研究重點是從現(xiàn)有免疫治療患者隊列中獲得的生物標(biāo)記物，這些患者具有成對的WES和反應(yīng)數(shù)據(jù)以及臨床相關(guān)元數(shù)據(jù)?！弊髡呖偨Y(jié)道，“它利用候選基因和全基因組方法的優(yōu)勢，以適度的隊列規(guī)模實現(xiàn)優(yōu)化的預(yù)測能力……”“我們發(fā)現(xiàn)，與TMB相比，CIRCLE分類器可以提高ICB反應(yīng)預(yù)測?！彼麄儗懙?，“總而言之，這些結(jié)果支持對CIRCLE的更廣泛調(diào)查，將更普遍的復(fù)發(fā)性體細胞改變作為免疫治療生物標(biāo)志物?！?/p>

未來的研究將涉及在更大的患者數(shù)據(jù)隊列上測試CIRCLE，因為研究人員預(yù)計該模型將隨著來自數(shù)千名而不是數(shù)百名患者的數(shù)據(jù)而改進。他們還希望，隨著隊列的擴大，他們可以開始梳理出哪些患者可能對不同的免疫治療有反應(yīng)，因為可用的治療方法越來越多。

“需要更大的免疫治療隊列來驗證這一發(fā)現(xiàn)，更廣泛地說，積極選擇的驅(qū)動因素改變可以幫助預(yù)測免疫治療反應(yīng)的原則……由于驅(qū)動因素改變的癌癥類型特異性，我們可以預(yù)期將CIRCLE擴展到更廣泛的泛癌隊列，將需要通過額外的發(fā)現(xiàn)分析來修改分類器?！?/p>

“我們設(shè)想這種兩步法和全外顯子組測序的使用將為更好的癌癥免疫治療預(yù)后工具鋪平道路?！盨anjana說。正如作者總結(jié)的那樣，“雖然小組測試已經(jīng)在免疫腫瘤學(xué)中常規(guī)使用，但我們的結(jié)果表明，使用更廣泛的診斷方法（包括WES和全基因組測序）可能會顯著改善反應(yīng)者和無反應(yīng)者的分層……我們設(shè)想，CIRCLE，更廣泛地說，對復(fù)發(fā)性突變癌癥基因的分析將為更好的癌癥免疫治療預(yù)后工具鋪平道路?！?/p>