Science | 腫瘤浸潤性T細(xì)胞的泛癌單細(xì)胞圖譜

原創(chuàng)?榴蓮不酥?圖靈基因?2022-01-02 17:18

收錄于話題#前沿生物大數(shù)據(jù)分析

撰文：榴蓮不酥

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本文描述了TME中T細(xì)胞異質(zhì)性和動力學(xué)的泛癌景觀，并為未來與癌癥治療相關(guān)的時間或空間研究建立了基線參考。通過對不同癌癥類型的系統(tǒng)比較，揭示了不同TMEs中T細(xì)胞狀態(tài)的共性和差異。對腫瘤浸潤T細(xì)胞的詳細(xì)特征、動態(tài)和調(diào)控將促進免疫療法的發(fā)展，提出了可以幫助針對T細(xì)胞的治療和診斷策略的免疫分型。

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T細(xì)胞識別和消除腫瘤細(xì)胞的能力構(gòu)成了免疫檢查點阻斷療法活動的機制基礎(chǔ)，這些療法已經(jīng)徹底改變了癌癥治療。有證據(jù)表明，個體T細(xì)胞對腫瘤控制的貢獻差異很大，并且似乎與其細(xì)胞狀態(tài)有關(guān)。具體而言，對人類腫瘤中T細(xì)胞浸潤的分析表明，這些部位只有一小部分T細(xì)胞具有腫瘤反應(yīng)性。在某些腫瘤類型中，功能障礙或衰竭標(biāo)志的表達(dá)，包括抑制性受體的表達(dá)。此外，在腫瘤反應(yīng)性T細(xì)胞區(qū)室中，T細(xì)胞傳遞抗腫瘤作用的能力不同。

2021年12月17日，在Science上發(fā)表了一篇名為“Pan-cancer single-cell landscape of tumor-infiltrating T cells”的文章，講述了一個“T細(xì)胞圖譜”，其中包含21種癌癥類型的T細(xì)胞轉(zhuǎn)錄譜，解決了諸如復(fù)發(fā)性T細(xì)胞狀態(tài)、細(xì)胞分化軌跡和預(yù)后價值等方面的問題。盡管有很多方法可以對這些數(shù)據(jù)進行切片，但特別感興趣的方面是對可能在腫瘤控制中發(fā)揮積極作用的T細(xì)胞亞群的泛癌鑒定以及觀察到具有不同狀態(tài)的T細(xì)胞的相對豐度具有超越腫瘤類型的預(yù)后價值，這向基于免疫類型的患者分層邁出了一步。

為了構(gòu)建高分辨率的泛癌T細(xì)胞圖譜，研究團隊對來自各種癌癥類型的患者的腫瘤、癌旁組織和血液樣本進行了單細(xì)胞RNA測序，并編譯了21種癌癥類型的T細(xì)胞單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜。從優(yōu)勢比分析來看，幼稚T細(xì)胞和Temra細(xì)胞（CD4+和CD8+）在血液中表現(xiàn)出強烈的分布偏好，而TNFRSF9+Treg細(xì)胞、TFH/TH1細(xì)胞、CD8+ISG+?T細(xì)胞和四種CD8+Tex細(xì)胞組似乎富含腫瘤。基于STARTRAC分析，這種富含腫瘤的元簇表現(xiàn)出擴張和持續(xù)增殖，表明它們響應(yīng)腫瘤抗原的克隆擴張。在個體腫瘤水平上也確定了與具有高TCR信號或增殖的特定擴增TIL共享克隆型的細(xì)胞組。CD4+和CD8+區(qū)室的Temra細(xì)胞在所有組織中均表現(xiàn)出擴增。這些觀察結(jié)果表明，這些T細(xì)胞在腫瘤外被激活和擴增，并在血液中循環(huán)。總之，出現(xiàn)了潛在的腫瘤反應(yīng)性T細(xì)胞代表了局部抗腫瘤免疫反應(yīng)——而擴增的CD8+Temra細(xì)胞也可能含有腫瘤特異性TCR，與全身免疫反應(yīng)的概念一致。圖1|單細(xì)胞分辨率的泛癌T細(xì)胞圖譜。

研究團隊解決的一個核心問題是具有假定的腫瘤反應(yīng)性的T細(xì)胞庫的特性如何在不同癌癥類型之間進行比較。從T細(xì)胞受體測序推斷，在腫瘤處富集并顯示克隆擴增的CD8+?T細(xì)胞主要在具有耗竭（Tex）表型的細(xì)胞庫中觀察到。相同的T細(xì)胞狀態(tài)顯示出與細(xì)胞分裂和TCR信號相關(guān)的基因表達(dá)特征增強，這可能表明即使在沒有治療的情況下，許多人類癌癥中的腫瘤反應(yīng)性T細(xì)胞也會對腫瘤細(xì)胞做出積極反應(yīng)。在CD4+?T細(xì)胞室中使用后一個標(biāo)準(zhǔn)確定了一個調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg細(xì)胞）群體，該群體表達(dá)腫瘤壞死因子（TNF）受體超家族成員9（TNFRSF9），其編碼激活標(biāo)記4-1BB，因為潛在的腫瘤反應(yīng)性最高。這表明細(xì)胞毒性和抑制性腫瘤反應(yīng)性T細(xì)胞群都可能根據(jù)它們的轉(zhuǎn)錄特征在癌癥類型中被識別出來，這對診斷和治療應(yīng)用都有希望。

持續(xù)的抗原暴露是T細(xì)胞功能障礙的主要驅(qū)動因素，但不同抗原的存在為該過程中的潛在多樣化提供了充足的機會。在泛癌數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，Zheng等人提出一個模型，其中兩種不同的分化路徑導(dǎo)致終末功能障礙狀態(tài)。對癌癥中不同T細(xì)胞狀態(tài)的相對豐度的分析使得根據(jù)它們的免疫組成區(qū)分八種“免疫類型”的癌癥成為可能，其特征在于Tex細(xì)胞豐度更高或更低，TNFRSF9+Treg細(xì)胞，以及各種功能障礙程度較低的記憶性T細(xì)胞狀態(tài)。其中兩種免疫類型共享相當(dāng)大的是Tex細(xì)胞群，但TNFRSF9+Treg細(xì)胞的豐度不同，這可能會影響不同免疫治療策略的活性。此外，與顯示較少T細(xì)胞功能障礙的“Tex-low”免疫類型相比，患有這些“Tex-high”免疫類型癌癥中的任何一種的患者的存活率降低。同樣，與Tex-high腫瘤相比，Tex-low黑色素瘤對免疫檢查點阻斷的反應(yīng)有所改善。圖2|CD8+耗竭T細(xì)胞的異質(zhì)性和動力學(xué)。

在CD4+區(qū)室中，主要的潛在腫瘤反應(yīng)性元簇是IFNG+?TFH/TH1和TNFRSF9+Treg細(xì)胞。全局?jǐn)U散圖和RNA速度分析顯示CD4+?T細(xì)胞可以從初始T細(xì)胞分別發(fā)育為Temra細(xì)胞、TFH/TH1細(xì)胞或TNFRSF9+Treg細(xì)胞。為了獲得更精細(xì)的發(fā)展軌跡分辨率，對每個方向進行了軌跡推斷。兩個與TFH細(xì)胞相關(guān)的元簇顯示出從經(jīng)典IL21+?TFH細(xì)胞到IFNG+TFH/TH1細(xì)胞的逐漸轉(zhuǎn)變過程。在這個轉(zhuǎn)變過程中，I型反應(yīng)相關(guān)的細(xì)胞因子和細(xì)胞毒性效應(yīng)分子顯著增加。這些觀察結(jié)果表明在獲取和維持TFH/TH1細(xì)胞表型方面存在其他關(guān)鍵參與者。對于Treg細(xì)胞，出現(xiàn)了從TNFRSF9-Treg細(xì)胞到TNFRSF9+?Treg細(xì)胞的軌跡，表明從靜息狀態(tài)（TNFRSF9-）逐漸過渡到激活狀態(tài)（TNFRSF9+）。ISG+Treg細(xì)胞位于軌跡的中心，表明一部分Treg細(xì)胞在激活期間對TME中的I型干擾素有反應(yīng)，這種Treg細(xì)胞發(fā)育軌跡在癌癥類型中很常見。在泛癌水平上沒有觀察到從非Treg細(xì)胞常規(guī)TH細(xì)胞明顯誘導(dǎo)Treg細(xì)胞，但TNFRSF9+Treg細(xì)胞在一些癌癥類型中與非Treg細(xì)胞表現(xiàn)出一定的狀態(tài)轉(zhuǎn)換電位。因此，各種傳統(tǒng)的CD4+T細(xì)胞群與Treg細(xì)胞存在轉(zhuǎn)化關(guān)系，但這種轉(zhuǎn)化模式是多種多樣的，并且因癌癥類型而異。HIVEP1被推斷為靶基因，其中大部分也是TNFRSF9+Treg細(xì)胞的特征基因。HIVEP1在Treg細(xì)胞軌跡的后期加速其表達(dá)，這與其他已知Treg細(xì)胞TF的模式不同。圖3|潛在腫瘤反應(yīng)性CD4+T細(xì)胞的特性。

研究團隊分析了與腫瘤中不同T細(xì)胞組成相關(guān)的外在因素。沒有發(fā)現(xiàn)每個元簇的頻率與年齡、性別或臨床分期之間存在緊密關(guān)聯(lián)，但檢測到IL21+?TFH細(xì)胞的頻率與體重指數(shù)方差比例。同時觀察到不同癌癥類型的不同T細(xì)胞分布模式，表明癌癥類型對T細(xì)胞群的頻率產(chǎn)生廣泛影響。盡管TNFRSF9+?Treg細(xì)胞的中位頻率在所有癌癥類型中都很高，但癌癥類型之間的變異性仍然很高，食管癌和頭和頸癌的發(fā)生率大約是乳腺癌和胃癌的兩倍。腫瘤突變負(fù)荷與ICB的療效有關(guān)，因此對細(xì)胞亞型的治療策略應(yīng)考慮不同癌癥類型的變異性。另外還確定了FAT1突變與TNFRSF9+Treg細(xì)胞之間為正相關(guān)，因此腫瘤中的T細(xì)胞組成不僅受TMB反映的潛在新抗原數(shù)量的影響，還受癌細(xì)胞的特定體細(xì)胞突變的影響。

為了揭示不同癌癥類型的T細(xì)胞組成的整體模式，他們檢查了腫瘤中元簇之間的頻率相關(guān)性，并確定了幾個高度相關(guān)的元簇模塊。正相關(guān)的元簇通常在特征基因之間有顯著的重疊，表明相同的調(diào)節(jié)因子在不同的T細(xì)胞群中誘導(dǎo)了相似的轉(zhuǎn)錄程序。此外，IFNB1被推斷為誘導(dǎo)TNFRSF9+Treg細(xì)胞和末端Tex或TFH/TH1細(xì)胞之間共享特征基因的頂級潛在配體之一。這些觀察結(jié)果表明，TGF帶干擾素可能會影響潛在的腫瘤反應(yīng)性T細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄程序和豐度。圖4|TME形成腫瘤浸潤T細(xì)胞的形態(tài)。

接下來，使用這些相關(guān)元簇的頻率可以發(fā)現(xiàn)腫瘤樣本可以分為八組（C1-C8）。C1和C2具有高頻率的終末Tex細(xì)胞，C1也具有最高頻率的TNFRSF9+Treg細(xì)胞。C3到C8的腫瘤具有低頻率的末端Tex細(xì)胞和高頻率的CD8+ZNF683+?CXCR6+?Trm細(xì)胞。在線性模型分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)分組可以解釋比其他因素更多的腫瘤T細(xì)胞組成的變異性，某些癌癥類型表現(xiàn)出明顯的偏好。基于T細(xì)胞的免疫類型為了解腫瘤浸潤性T細(xì)胞的整體特性提供了參考，這可能有助于指導(dǎo)新療法的開發(fā)和患者分層，而不是傳統(tǒng)的癌癥類型指標(biāo)。這種免疫類型分類可能具有臨床意義。使用免疫類型特征對TCGA癌癥患者進行分層，發(fā)現(xiàn)TexloTrmhi（C3至C8）腫瘤在跨癌癥類型或多種個體癌癥類型中的總體生存率優(yōu)于TexhiTrmlo腫瘤（C1和C2）、腺癌、肝細(xì)胞癌和腎乳頭狀細(xì)胞癌。由于T細(xì)胞是許多免疫療法的直接目標(biāo)，因此基于T細(xì)胞的免疫類型在邏輯上可能與治療效果相關(guān)。對黑色素瘤PD-1抗體治療數(shù)據(jù)的重新分析表明，響應(yīng)性腫瘤具有較低頻率的終末Tex細(xì)胞和較高頻率的初始T細(xì)胞，應(yīng)答者的治療前腫瘤也具有更高的Tc17頻率，暗示Tc17在ICB治療中的重要作用。圖5|由T細(xì)胞組成確定的泛癌免疫類型。

研究團隊描繪了TME中T細(xì)胞異質(zhì)性和動態(tài)的泛癌景觀，并為未來與癌癥治療相關(guān)的時間或空間研究建立了基線參考。不同癌癥類型的系統(tǒng)比較揭示了不同TME中T細(xì)胞狀態(tài)的共性和差異。對腫瘤浸潤性T細(xì)胞的詳細(xì)特征、動力學(xué)和調(diào)節(jié)將促進免疫療法的發(fā)展，尤其是提出的免疫分型可以幫助針對T細(xì)胞的治療和診斷策略。

教授介紹

張澤民，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院講席教授，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）與未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心研究員，北大-清華生命聯(lián)合中心高級研究員。在2014年加入北大以前，曾長期就任基因泰克/羅氏公司（Genentech/Roche），擔(dān)任癌癥基因組學(xué)和生物信息學(xué)首席科學(xué)家，致力于應(yīng)用機器學(xué)習(xí)和高通量測序等高新技術(shù)進行抗癌藥靶和生物標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn)。他在計算癌癥生物學(xué)和癌癥基因組學(xué)的多個方向上都是開拓者、引領(lǐng)者，包括世界首例腫瘤全基因組測序,?同時也是CellSystems和GenomeMedicine的編委。張澤民教授是60個專利的發(fā)明者，并在多項癌癥治療藥物的分子靶標(biāo)的原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)中做出了直接貢獻。目前承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金重點項目，任國家精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)重大專項首席科學(xué)家。

參考文獻

Zheng L, Qin S, Si W, et al. Pan-cancersingle-cell landscape of tumor-infiltrating T cells. Science. 2021 Dec17;374(6574):abe6474. doi: 10.1126/science.abe6474. Epub 2021 Dec 17. PMID:34914499.