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單細(xì)胞測序高分文章揭示腫瘤免疫微環(huán)境

研究背景

母親節(jié)剛過,您的媽媽和身為媽媽的您是否又為熊孩子增添了一綹白發(fā)。朋友圈的親,有沒有對媽媽說聲辛苦了?還有啊!要像周董歌里唱的聽媽媽的話!今天小編就用近來發(fā)表在頂級期刊上的文章,來看看兢兢業(yè)業(yè)的科學(xué)家們?yōu)槿橄侔┑难芯肯铝四男┕Ψ颉?/p>

乳腺癌是女性常見的惡性腫瘤之一,發(fā)病率位居女性惡性腫瘤的首位,嚴(yán)重危害婦女的身心健康。乳腺癌分子分型為三種:三陰乳腺癌(TNBC),luminal型和HER-2(+)型。化療和放療是乳腺癌的首選治療手段,這些藥物的潛在免疫原性成分使它們成為新輔助治療的有吸引力的候選藥物。除此之外,免疫治療是目前針對包括乳腺癌在內(nèi)的腫瘤研究最多,臨床發(fā)展最快的一種療法?;诿庖咝?yīng)細(xì)胞的免疫治療目的是針對腫瘤細(xì)胞表面的異常抗原,幫助身體抵御癌癥。PD-1/PD-L1免疫抑制劑是通過腫瘤細(xì)胞和T細(xì)胞結(jié)合,恢復(fù)或增強(qiáng)自身免疫能力來清除癌細(xì)胞。其作用原理如下圖所示:

研究背景

腫瘤微環(huán)境(Tumor Microenvironments)是指腫瘤細(xì)胞存在的周圍環(huán)境,包括周圍的血管、免疫細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、骨髓源性炎性細(xì)胞、各種信號分子和細(xì)胞外基質(zhì)。腫瘤免疫微環(huán)境中免疫細(xì)胞浸潤并分泌炎性介質(zhì),形成炎性微環(huán)境,這一微環(huán)境有助于腫瘤異質(zhì)性。腫瘤微環(huán)境中的免疫細(xì)胞負(fù)責(zé)為腫瘤患者開啟機(jī)體免疫應(yīng)答。免疫細(xì)胞成分復(fù)雜多樣,主要包括T 淋巴細(xì)胞、B 淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞和抗原提呈細(xì)胞等。浸潤在腫瘤局部的淋巴細(xì)胞通常稱為腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞(TILs)。在與腫瘤細(xì)胞的相互影響中,以調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)和腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(TAMs)為代表的腫瘤免疫微環(huán)境組分介導(dǎo)了免疫抑制。腫瘤微環(huán)境里面的成纖維細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等基質(zhì)細(xì)胞,不僅為腫瘤的發(fā)生發(fā)展提供保護(hù)和支持,而且主動參與到腫瘤進(jìn)程。腫瘤微環(huán)境與腫瘤細(xì)胞相互作用,共同介導(dǎo)了腫瘤的免疫受耐,從而影響了免疫治療的臨床效果。此外,由于腫瘤微環(huán)境中存在大量免疫抑制性細(xì)胞,針對這些細(xì)胞進(jìn)行腫瘤免疫治療是腫瘤治療的新策略。

針對腫瘤微環(huán)境各種細(xì)胞類型的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)能夠?qū)δ[瘤組織的細(xì)胞類型進(jìn)行精細(xì)分類,基于異質(zhì)性而個性化定義細(xì)胞亞群的組成、分布、功能和發(fā)展?fàn)顟B(tài),同時還可以發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞亞群。研究界普遍認(rèn)為數(shù)量多的免疫細(xì)胞CD3+ T細(xì)胞的存在代表了更強(qiáng)的抗原體驗、抗腫瘤免疫反應(yīng)。原發(fā)和轉(zhuǎn)移性乳腺癌中腫瘤浸潤型淋巴細(xì)胞(TILs)含量水平較高與更好的預(yù)后相關(guān),因此TILs的數(shù)量可以預(yù)測早期三陰乳腺癌,三陰乳腺癌是免疫治療針對的主要亞型,具有最高的乳腺癌亞型突變負(fù)擔(dān),最有可能產(chǎn)生腫瘤新抗原。

研究內(nèi)容

下面分享一篇2018年發(fā)表的頂級期刊論文,一起來看看科學(xué)家利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在揭示乳腺癌腫瘤微環(huán)境復(fù)雜性和未來靶向免疫抑制細(xì)胞免疫治療方面做了哪些工作。

來自一項國際合作項目的研究團(tuán)隊在Nature Medicine發(fā)表了題為Single-cell profiling of breast cancer T cells reveals a tissue-resident memory subset associated with improved prognosis的論文。

首先三個比較重要的現(xiàn)象是:在三種乳腺癌亞型中,原發(fā)部位腫瘤浸潤型免疫細(xì)胞的數(shù)目(TILS)多于轉(zhuǎn)移部位(圖1);在此案例中CD3+ T細(xì)胞是最主要的腫瘤浸潤免疫細(xì)胞(圖2);CD3+ TILs的高百分比與CD4:CD8比值的顯著降低有關(guān)(圖3)。

這一觀察結(jié)果與高含量的CD3+ T細(xì)胞的存在代表了更強(qiáng)的抗原體驗、抗腫瘤免疫反應(yīng)相一致,原發(fā)和轉(zhuǎn)移性BCs中TIL水平較高與更好的預(yù)后相關(guān)。

迄今為止,免疫檢查點阻斷抑制劑(CBI)對BC患者的療效并不明顯。然而,據(jù)報道,對pembrolizumab和atezolizumab較高的應(yīng)答率與晚期三陰乳腺癌患者體內(nèi)TILs的數(shù)量有關(guān)。為了研究清楚人類原發(fā)性三陰乳腺癌的T細(xì)胞異質(zhì)性,研究者對兩例人原發(fā)性TNBC腫瘤新分離的6311個利用流式分選CD3+CD45+ T細(xì)胞進(jìn)行了3’mRNA單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序分析。根據(jù)基因表達(dá)量,共鑒定出10個細(xì)胞亞群(圖4)。其中一個亞群Treg高水平表達(dá)CCR8,另外一個亞群CD8A+CD103+具有類似組織原位記憶TRM的細(xì)胞表型。在這個TRM細(xì)胞亞群中有400個基因差異表達(dá),包括一些TRM分化的標(biāo)志分子,以及組織中保留TRM細(xì)胞所必需的分子。一些免疫檢查點也呈現(xiàn)高表達(dá)的趨勢,包括TIM3,PD1,CTLA4,TIGIT,LAG3,GZMB和PRF1等。利用擬時序分析發(fā)現(xiàn),TRM和TEM處于分化的兩端,位于這兩群細(xì)胞中的基因表達(dá)也呈現(xiàn)相反的狀態(tài)(圖5)。研究者還注意到另外一組CD8A+CD103+細(xì)胞亞群具有有絲分裂特征,同時與增殖有關(guān)的基因的高表達(dá)。這個細(xì)胞群位于TRM簇旁的擬時間路徑上,與CD8+ TRM細(xì)胞群正在積極進(jìn)行細(xì)胞分裂一致。通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析,研究者很明確的指出CD8+T細(xì)胞在不同的細(xì)胞亞群中具有異質(zhì)性。CD8+TRM亞群表達(dá)細(xì)胞效應(yīng)蛋白和眾多免疫檢查點,在免疫微環(huán)境中保持細(xì)胞高分裂活性,這對免疫制劑的臨床開發(fā)具有重要意義。

研究者還注意到在CD8+T細(xì)胞中高水平表達(dá)CD103,在免疫檢查點方面,高百分含量的CD8+CD103+ T細(xì)胞表達(dá)PD-1(圖6)。

為確認(rèn)人乳腺癌中CD103+CD8+T細(xì)胞類似于TRM -like集群中觀察到單細(xì)胞的數(shù)據(jù),研究者利用流氏細(xì)胞儀分選到CD8+CD103+和CD8+CD103- 兩類T細(xì)胞進(jìn)行RNA-seq。其樣品來自于三個病人的新鮮腫瘤(兩個原發(fā)腫瘤和一個TNBC肝轉(zhuǎn)移)。轉(zhuǎn)錄組測序鑒定出534個差異基因,在CD8+CD103+細(xì)胞中組織出口基因SIPR1和KLF2顯著下調(diào)表達(dá),而免疫檢查點PD1和CTLA4顯著上調(diào)。火山圖和熱圖數(shù)據(jù)分析表明,差異表達(dá)的基因在bulk RNA-seq和單細(xì)胞測序的特征一致(圖7)。研究數(shù)據(jù)表明,在乳腺癌中 CD8+CD103+ T細(xì)胞表現(xiàn)出與TRM分化一致的特征,并證實存有較多TILs的乳腺癌中存在大量CD8+CD103+ TRM樣細(xì)胞,這表現(xiàn)為一個明顯的細(xì)胞子集。另外,從功能上表明CD8+CD103+的細(xì)胞毒性和促炎潛能。TRM細(xì)胞表現(xiàn)出克隆擴(kuò)增,這通常與抗原識別相關(guān),并且它們的抗原特異性可能來自于在正常、腫瘤前和早期腫瘤乳腺組織中駐留期間所經(jīng)歷的不同微環(huán)境。

研究者的數(shù)據(jù)表明CD8+CD103+ TRM細(xì)胞亞群在原發(fā)性三陰乳腺癌的腫瘤微環(huán)境中是一個高度密集的效應(yīng)群體,如此預(yù)測來自TRM單細(xì)胞亞群的基因表達(dá)特征將提供重要的預(yù)后信息。

利用來自“METABRIC”的現(xiàn)有基因表達(dá)數(shù)據(jù),在329例原發(fā)性三陰乳腺癌中,研究者發(fā)現(xiàn)TRM基因表達(dá)特征同化療后無復(fù)發(fā)情況和總體生存率的改善顯著相關(guān)。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)TRM表達(dá)特征可以用來區(qū)別CD8高水平表達(dá)的患者預(yù)后好或預(yù)后差不同情況(圖8), CD8+ TRM細(xì)胞可能是含有較多腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞的乳腺癌病人臨床療效改善的關(guān)鍵點。

研究結(jié)論

綜上,本研究利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)把腫瘤微環(huán)境中的細(xì)胞分為10個亞群,并發(fā)現(xiàn)CD8+ TRM細(xì)胞這一細(xì)胞亞群高水平表達(dá)免疫檢查點和效應(yīng)蛋白,這與乳腺癌患者的良好的預(yù)后顯著相關(guān)。

 伯豪生物經(jīng)過6年的積累,基于SMART-seq技術(shù),對來源于人、小鼠、大鼠、果蠅、斑馬魚、牛、羊等物種的樣本提供了單細(xì)胞測序服務(wù),研究成果發(fā)表在Cell Research、Nature Neuroscience等雜志上。
最近,伯豪生物的單細(xì)胞測序平臺又添新技術(shù)——BD RhapsodyTM,將為客戶提供更大規(guī)模、更加靈活、更為全面的單細(xì)胞測序服務(wù)。 

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