张泽民单细胞最新思路：免疫治疗响应相关的肿瘤微环境细胞变化规律

张泽民单细胞最新思路：免疫治疗响应相关的肿瘤微环境细胞变化规律 by 生信人

近年来，基于免疫检查点阻断（ICB）的人类癌症治疗取得了令人瞩目的成效。越来越多的结直肠癌（CRC）临床试验也证明了ICB的显著成功。然而，扩大免疫检查点阻断（ICB）在结直肠癌（CRC）中的疗效迫切需要全面了解治疗反应性。今天，小编要和大家分享一篇2024年7月发表在Cancer Cell（IF：48.8）上的文章，分析了来自22名接受PD-1阻断的患者的多个连续单细胞样本，以绘制CRC患者局部和全身免疫的演变，为CRC中新辅助PD-1阻断后的时空细胞动力学提供了新见解。

时空单细胞分析解码结直肠癌免疫治疗不同反应的细胞动力学

这篇文章刚发表，小编团队就进行了深入的挖掘，发现大佬的研究很系统和很全面。一鲸落，万物生。大佬的研究给我们增加了很多可以科研的方向，比如时间纵向队列，比如细胞动态变化，比如Ttr-like cells，比如MHC II复合物，比如常规外周血验证等等，总之顺着大佬已经种好的树，我们有很多方向可以挖掘。最新的技术路线，大佬保驾护航，那不就是妥妥的好结果嘛。

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一、Highlights

1.PD-1阻断下人CRC的全面跨组织单细胞景观

2.局部协调的细胞程序表现出与治疗响应相关的动力学

3.较高的基线Ttr样细胞浸润与上级应答相关

4.血液相关Ttr样细胞水平增加有益于治疗效果

二、背景介绍

ICB伴随着局部肿瘤微环境（TME）的重塑和全身免疫的改变。越来越多的结直肠癌（CRC）临床试验证明了ICB的显著成功，但并非所有CRC都能因此受益，这与患者本身遗传基础相关。因此，全面了解ICB治疗下的细胞和分子动力学将有助于开发新的策略，使更广泛的CRC患者受益。

ICB适用于T细胞介导的肿瘤根除。在肿瘤浸润性T细胞亚群中，肿瘤反应性CD8+ T（Ttr）细胞与癌症免疫疗法的功效密切相关。对Ttr的深入研究，特别关注其在基线和整个治疗过程中的功能亚型，有可能解码CRC患者ICB反应性的细胞机制。此外，ICB的疗效可能受到外周免疫系统的影响。同时，血液本身也可以作为治疗相关免疫反应的可能指标。

三、主要结果

1.PD-1阻断后人CRC的动态单细胞跨组织景观

研究收集了20例CRC患者和另外2例十二指肠癌患者，进一步被分类为无应答组（SD）、完全应答组（CR）和部分应答组（PR），共获得169份样本，每例患者在基线（治疗前）和首次给药后分别采样一次或多次，包括肿瘤样本、外周血和邻近正常组织。随后对新鲜收集的样品进行配对的单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞TCR测序（scTCR-seq）。

经过严格的质量控制（星星方法）后，获得了975,275个高质量单细胞的转录组。无监督聚类结合基于规范标记的注释揭示了六种主要细胞类型，随后在每个主要隔室上进行单独的亚聚类，得到91个细粒细胞亚群，其均通过其独特的表达谱以及在血液、相邻正常组织和肿瘤组织中的分布模式来表征。结果示了T细胞浸润水平可以补充MSI/MSS状态预测治疗效果，同时证明了固有的细胞异质性不仅存在于反应者和非反应者之间，也存在于反应患者内。

图1. 新辅助抗PD-1治疗期间CRC患者的动态单细胞景观

2.肿瘤生态系统中协调的细胞程序

对于每种组织富集的细粒细胞类型，作者使用了先前提出的基于线性回归的预测指数（Pi）和治疗指数（Ti）分别定量测量基线细胞丰度和细胞动力学的响应关联。正的Pi或Ti值分别表示较高的基线比例或较大的动态变化与有利的反应相关。较大的绝对值意味着与肿瘤消退的关联更强。结果发现抗PD-1处理后多种细胞类型的协同动力学。

随后利用基于非负矩阵因子分解（NMF）的方法捕获TME中细粒度细胞亚群的协调细胞程序，并检查这些程序是否与治疗疗效相关。结果识别出五种细胞程序（NMF 1 -5），其中NMF2类似三级淋巴结构（TLS）的常规组分，NMF4为肿瘤富集程序，聚集了多种肿瘤富集细胞类型，NMF5为组织重建程序，可能代表恢复后重建的正常组织样微环境。

接下来，作者通过计算基线和治疗后肿瘤样品之间的活性评分的差异，评估了这些细胞程序是否显示出与治疗效果的关联。结果发现，伴随治疗过程，两组响应患者中皆显示出三级淋巴结构相关的信号增强。此外，完全响应者中组织重构程序信号增强，提示逐渐趋于正常化的组织结构。而部分响应者显示出逐渐增强的肿瘤富集相关信号，反应出治疗引起的抗肿瘤免疫激活（图2）。

图2. 协调的TME细胞程序与反应性表现出不同的相关性

3.肿瘤中耗尽的CD8+ T细胞的反应相关性

接下来，作者关注到Tex细胞，其表达PDCD 1和其他衰竭相关基因（包括LAYN、ENTPD 1和HAVCR 2），可以作为补充MSI/MSS状态的临床应答的可靠指标。此外，在给药后，在CR中，Tex细胞呈现出减少的丰度以及降低的克隆扩增水平；而对于大多数PR肿瘤，在Tex细胞中鉴定到显著的频率增加，伴随着强克隆扩增程度，表明了不同反应性肿瘤组的分级Tex细胞进化路径（图3）。

图3. 耗尽的T细胞与治疗效果的关系

4.肿瘤反应性样CD8+ T细胞的不同动力学反映了治疗功效

接下来，作者结合转录组和TCR追踪鉴定出了肿瘤特异性CD8+ T细胞群体(Ttr-like cells)。在基线水平该类群丰度更高的患者普遍显示出在免疫治疗后更优的疗效。进一步追踪治疗过程中肿瘤组织中单个Ttr样克隆的进化模式，发现治疗诱导的Ttr样动力学在反应性肿瘤之间存在相当大的差异，提示PD-1阻断以反应相关的方式诱导了Ttr样群体的表型转变。因此，作者进一步检查了Ttr样亚簇的动力学以辨别CR和PR组之间的潜在区别，发现肿瘤中的Ttr样细胞在有效的治疗干预下经历了群体强化（图4）。

图4. PD-1阻断下的肿瘤反应性样CD8+ T细胞

5.有效治疗干预下肿瘤反应性样CD8+ T细胞的外周相关性

接下来，作者追踪了在血液中可检测的克隆的TCR，并将来自这些克隆的那些肿瘤或正常组织衍生的细胞定义为“血液相关Ttr样”细胞。发现PD-1阻断可能有助于将预先存在的和新出现的Ttr样克隆从外周募集到TME。进一步，通过比较肿瘤来源的Ttr样细胞（血液相关的和非相关的Ttr样细胞）与循环的Ttr样细胞，其他循环的CD8+ T细胞用作额外的对照，作者发现尽管存在患者间异质性，但血液相关Ttr样细胞可能被激活，表明了肿瘤Ttr样细胞的有效强化，进而介导了有效的抗肿瘤免疫应答（图5）。

图5. 有效治疗干预下肿瘤反应性样CD8+ T细胞的外周相关性

6.外周T细胞特征指示对PD-1阻断的应答

考虑到TME中血液相关的Ttr样细胞的反应相关性，作者接下来检查了外周中的Ttr样细胞。对血液中Ttr样和非Ttr样CD8+ T细胞之间的差异表达分析揭示，循环Ttr样群体表现出与细胞毒性相关的某些基因的较高表达。此外，在基线时，在Ttr样群体中发现MHC II相关途径相对于其他循环CD8+ T细胞的优先富集，且能够有效区分CR组的循环CD8+ T细胞与来自PR组的循环CD8+ T细胞，这表明MHC II相关特征有望成为预测PD-1阻断治疗疗效的分子标志物。

图6. 与CRC治疗反应相关的外周特征

四、小结

到这里文章的主要内容就介绍完了。总的来说，研究利用多模式单细胞RNA和TCR测序来解读接受新辅助PD-1阻断的CRC患者中治疗诱导的变化。在治疗过程中的多个时间点，收集了169份血液、邻近正常组织和肿瘤组织的匹配样本。结果揭示了CRC中抗PD-1新辅助免疫治疗期间局部和全身免疫系统的大规模时空特征，解码了ICB反应性的细胞和分子基础，并指导了CRC免疫治疗的潜在优化。

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参考文献

Spatiotemporal single-cell analysis decodes cellular dynamics underlying different responses to immunotherapy in colorectal cancer. Chen et al., 2024, Cancer Cell 42, 1268–1285. https://doi.org/10.1016/j.ccell.2024.06.009

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