2022年3月17日，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）張澤民教授、任仙文副研究員與首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京世紀(jì)壇醫(yī)院外科彭吉潤(rùn)教授合作，在國(guó)際期刊Cancer Cell以Article形式在線發(fā)表題為“Immune phenotypic linkage between colorectal cancer and liver metastasis”的研究論文。

腫瘤微環(huán)境（TME）特征與癌癥免疫治療效果有著內(nèi)在聯(lián)系，且TME特征會(huì)影響癌癥的進(jìn)展和轉(zhuǎn)移情況。系統(tǒng)的解析腫瘤微環(huán)境中不同細(xì)胞的表型，是理解腫瘤發(fā)生發(fā)展以及提高免疫治療效果的關(guān)鍵。然而，隨著近些年單細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)不同癌癥類(lèi)型之間的TME有著顯著差異，如耗竭T細(xì)胞在肝癌和腸癌患者中的比例要顯著高于其在肺癌中的比例。此外，部分器官也擁有較為特異的免疫細(xì)胞類(lèi)型，如大腦中的小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，肝中的黏膜相關(guān)恒定T細(xì)胞（MAIT）和胃腸道中的上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞（IEL）等。那么造成不同癌癥類(lèi)型之間TME差異的原因是什么？是由器官微環(huán)境（niche）造成？還是由腫瘤細(xì)胞特征(malignancy)造成？亦或是兩者協(xié)同作用？

對(duì)來(lái)自不同癌種、不同病人的TME進(jìn)行比較分析無(wú)法回答以上問(wèn)題，因其無(wú)法排除腫瘤細(xì)胞差異和不同病人遺傳背景不同而帶來(lái)的影響。與跨癌種分析不同，腫瘤轉(zhuǎn)移過(guò)程為研究人員提供了一個(gè)獨(dú)特系統(tǒng)來(lái)揭開(kāi)niche和malignancy對(duì)TME的影響，因轉(zhuǎn)移位腫瘤來(lái)自同一個(gè)體的原發(fā)腫瘤，收集轉(zhuǎn)移患者的不同腫瘤位點(diǎn)可以幫助研究人員解析相同來(lái)源的腫瘤細(xì)胞在不同器官中形成的TME。

研究人員收集了17個(gè)未經(jīng)治療的結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移（CRLM）患者包括原發(fā)腸癌及癌旁、肝轉(zhuǎn)移及癌旁、腸系膜淋巴結(jié)和外周血在內(nèi)的101例配對(duì)樣本，通過(guò)多平臺(tái)scRNA-seq和T細(xì)胞受體(TCR)序列測(cè)序，構(gòu)建了CRLM患者免疫細(xì)胞的高分辨率轉(zhuǎn)錄組圖譜。他們進(jìn)一步整合了18位原發(fā)結(jié)直腸癌（CRC）和16位原發(fā)肝癌（HCC）患者的100例配對(duì)樣本，設(shè)計(jì)了Pheno Aligner方法來(lái)量化niche和malignancy對(duì)免疫細(xì)胞表型的影響，定義了表型顯著受到腫瘤細(xì)胞特征影響的免疫類(lèi)群（M型）、表型顯著受到器官微環(huán)境影響的免疫類(lèi)群（N型），系統(tǒng)揭示了TME、癌癥類(lèi)型和器官微環(huán)境之間復(fù)雜的相互作用（圖1）。

圖1 課題研究方案及主要結(jié)論

通過(guò)比較CRC和HCC患者的免疫細(xì)胞浸潤(rùn)情況，研究人員發(fā)現(xiàn)，免疫細(xì)胞的浸潤(rùn)可能與病理狀態(tài)相關(guān)（腫瘤/癌旁組織），也可能與其駐留的器官相關(guān)（腸/肝）：Treg-CTLA4、Tex-LAYN和Mph-C1QC與癌旁相比，更加富集在腫瘤組織中；MAIT細(xì)胞傾向于在肝中富集，而IEL細(xì)胞傾向于在腸中富集。為了去除跨癌種比較潛在的偏差，他們利用腫瘤轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)自體對(duì)照的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了Pheno Aligner算法，以CRLM為模型系統(tǒng)，評(píng)估了niche和malignancy對(duì)免疫細(xì)胞表型的影響（圖2）。

圖2 Pheno Aligner方法的原理

在CD8⁺ T細(xì)胞中，耗竭T細(xì)胞（Tex）被識(shí)別為M類(lèi)，即其表型主要受腫瘤細(xì)胞決定：在原發(fā)腫瘤位和肝轉(zhuǎn)移位存在大量相近表型的Tex細(xì)胞，而在其他組織中不存在或極少。這一基于Pheno Aligner分析得到的結(jié)果進(jìn)一步得到TCR序列分析結(jié)果的證實(shí)，在兩個(gè)腫瘤位點(diǎn)間，存在大量具有相同TCR序列的Tex細(xì)胞。但是Tex細(xì)胞跨組織遷移能力極低，進(jìn)一步的TCR信息和velocity分析揭示，外周血中的Temra、Tem和原發(fā)灶、轉(zhuǎn)移灶中的Tex細(xì)胞之間存在緊密關(guān)系，可能由共同的前體細(xì)胞經(jīng)過(guò)相同的腫瘤相關(guān)抗原刺激形成。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步豐富和深化了目前對(duì)腫瘤免疫循環(huán)（cancer-immunity cycle）過(guò)程的認(rèn)識(shí)（圖3）。

圖3 CD8⁺ T細(xì)胞在腫瘤免疫循環(huán)中浸潤(rùn)到不同腫瘤位點(diǎn)的過(guò)程

在CD4+ T細(xì)胞中，四個(gè)亞類(lèi)被Pheno Aligner識(shí)別為M類(lèi)，結(jié)合TCR信息發(fā)現(xiàn)，其中Treg-CTLA4和Th1-like細(xì)胞與Tex細(xì)胞一樣，呈現(xiàn)TCR依賴(lài)的模式，而Treg-IL10和Th17細(xì)胞則呈現(xiàn)TCR不依賴(lài)的模式，即在原發(fā)和轉(zhuǎn)移腫瘤位之間沒(méi)有共享的TCR序列，揭示不同腫瘤位點(diǎn)的Treg-CTLA4和Th1-like細(xì)胞來(lái)源于同樣的前體細(xì)胞，而Treg-IL10和Th17細(xì)胞則是被腫瘤細(xì)胞從不同的起源招募而來(lái)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，CRLM患者的原位腫瘤中兩類(lèi)Treg細(xì)胞（Treg-IL10和Treg-CTLA4）的浸潤(rùn)要顯著多于沒(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)移的CRC患者，表明與未轉(zhuǎn)移的腸癌相比，發(fā)生肝轉(zhuǎn)移的原位腸癌的腫瘤微環(huán)境呈現(xiàn)更強(qiáng)的免疫抑制狀態(tài)。

樹(shù)突狀細(xì)胞（DC）是抗原特異性免疫反應(yīng)的關(guān)鍵細(xì)胞亞群之一，在該項(xiàng)研究中，研究人員首次在CRLM病人的腫瘤中鑒定出DC3這一新的DC2亞型，且被Pheno Aligner方法識(shí)別為M類(lèi)。DC3高表達(dá)C1QA、CD68、CD163和CD14，且其特征基因和較差的預(yù)后相關(guān)。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)了三群分別高表達(dá)SPP1、C1QC和MKI67的腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（TAM），且這三群都被識(shí)別為M類(lèi)。其中，C1QC⁺ TAM高表達(dá)CXCL9和CXCL10等與免疫檢查點(diǎn)治療好的響應(yīng)相關(guān)基因，且主要發(fā)揮細(xì)胞吞噬和抗原呈遞的功能，提示C1QC⁺ TAM可能在CRLM患者的治療中發(fā)揮有益作用。與之相反，SPP1⁺ TAM主要發(fā)揮促血管生成和促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移的功能，且其特征基因和更差的預(yù)后相關(guān)。值得注意的是，他們發(fā)現(xiàn)SPP1⁺ TAM不存在于原發(fā)肝癌中，卻在結(jié)直腸癌的肝轉(zhuǎn)移位點(diǎn)顯著富集。對(duì)淋巴結(jié)位點(diǎn)的分析也證實(shí)，SPP1⁺ TAM只在淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的患者中被識(shí)別到，提示SPP1⁺ TAM會(huì)促進(jìn)CRC癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移，對(duì)其進(jìn)行功能抑制可能會(huì)在CRLM患者的治療中發(fā)揮積極作用。

綜上，該研究勾勒出結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移患者多種組織的免疫圖譜，揭示了腫瘤細(xì)胞特性和駐留器官對(duì)不同免疫細(xì)胞表型的影響，為深入理解不同癌癥類(lèi)型之間的免疫特征搭建了橋梁。通過(guò)Pheno Aligner方法，研究人員識(shí)別到多種與腫瘤進(jìn)展或轉(zhuǎn)移相關(guān)的關(guān)鍵性免疫細(xì)胞，為開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)移癌新的臨床檢測(cè)與治療手段提供了新的思路，也為后續(xù)相關(guān)研究工作提供了極有價(jià)值的數(shù)據(jù)資源。

北京大學(xué)BIOPIC/生命科學(xué)學(xué)院博士生劉燁丹，張啟明為該論文的并列第一作者。張澤民、任仙文和彭吉潤(rùn)為該論文的共同通訊作者。該研究得到北京市科委、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心（ICG）的支持和資助。

來(lái)源： 北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心