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Nature Cancer:张泽民团队揭示肿瘤特异T细胞特征及多癌种水平上免疫治疗作用机制

日期:2022-09-30 23:50:30 来源: 生物世界 点击:

鉴定肿瘤微环境中肿瘤抗原特异 CD8 T 细胞的特征及其分化状态是理解肿瘤免疫治疗机制的关键。最近相关论文在单细胞水平上鉴定了未经治疗(treatment-naive)肿瘤中肿瘤抗原特异T细胞以及 bystander(非肿瘤特异性T细胞)的特征与区别,发现肿瘤中的肿瘤抗原特异T细胞会上调以 PD-1、CTLA4、LAG3、TIGIT 为代表的共抑制性受体。

 

相应地,这些共抑制性受体以及 CD39 等 T 细胞耗竭(exhaustion)相关基因可以准确地鉴定 treatment-naïve 肿瘤中的肿瘤抗原特异T细胞。但是在 ICB 治疗过程中,张泽民课题组之前的研究以及其他相关研究发现肿瘤抗原特异 T 细胞在治疗的作用下可以维持在未耗竭的前体细胞的状态,因此如何有效地准确鉴定 ICB 治疗前后(1)终末分化且耗竭程度高的肿瘤特异T细胞以及(2)耗竭程度低的肿瘤特异T细胞前体细胞仍然是一个难题。

2022年9月22日,北京大学生物医学前沿创新中心(BIOPIC)、生命科学学院、北京未来基因诊断高精尖创新中心(ICG)张泽民课题组在 Nature Cancer 发表了题为:Single-cell meta-analyses reveal responses of tumor-reactive CXCL13+ T cells to immune-checkpoint blockade 的研究论文。

该研究通过对公共数据集的分析,提出了基于 CXCL13 表达水平识别免疫检查点阻断(ICB)治疗前后肿瘤微环境中肿瘤抗原特异 T 细胞的方法,鉴定了肿瘤特异 CD8 T 细胞的不同分化状态及其特征,并从多癌种水平揭示了免疫检查点阻断(ICB)在细胞层面上的作用机制。
通过分析包含 CD8 T 细胞基因表达以及对应抗原特异性信息的公共单细胞数据集,并结合发表的具有治疗前后配对的肿瘤浸润 CD8 T 细胞数据集,该研究发现 CXCL13 的表达既可以准确鉴定终末分化且耗竭程度高的肿瘤特异T细胞克隆,也可以鉴定 ICB 治疗后有响应肿瘤中大量出现的耗竭程度低的肿瘤特异T细胞前体细胞克隆(图1)。

图1:CXCL13鉴定ICB治疗前后肿瘤中不同分化状态的肿瘤特异CD8 T细胞

为了探究 ICB 在多癌种上对肿瘤特异 CD8 T 细胞的作用机制,研究人员收集了已发表的9个免疫治疗单细胞数据集,包括来自102个病人治疗前后的205个肿瘤样本,涵盖5种癌症类型(NSCLC、BCC、SCC、Breast Cancer & RCC)。研究人员基于 CXCL13 表达量鉴定这些数据集中的肿瘤特异 CD8 T 细胞,发现肿瘤特异性 CXCL13+CD8+ T 细胞显著富集在对 ICB 有响应的肿瘤中,并且在有效地治疗后显著增加(图2),表明了肿瘤特异性 CXCL13+CD8+ T 细胞在治疗过程中发挥关键作用,且在治疗前的浸润程度可以预测 ICB 的疗效。

图2:ICB治疗前后肿瘤特异性CXCL13+CD8+ T细胞变化

之前对于基底细胞癌(BCC)和乳腺癌的研究发现 ICB 有效治疗后终末分化且耗竭程度高的肿瘤特异T细胞显著增加。而在肺癌的研究中,张泽民课题组之前的研究发现有效的 ICB 治疗增加了耗竭程度低的肿瘤特异T细胞前体细胞。肿瘤特异 T 细胞前体细胞具有更强的增殖能力和整体上更强的抗肿瘤功能;而终末分化的肿瘤特异T细胞随着耗竭程度变强虽然功能有下降,但是这群细胞仍然能够杀伤癌细胞,并且,在 treatment-naïve 肿瘤中由于前体细胞数量很少,终末分化的肿瘤特异 CD8 T 细胞是主要杀伤癌细胞的 CD8 T 细胞类群。此外,研究表明 ICB 会进一步增加终末分化的肿瘤特异 CD8 T 细胞的杀伤能力,因此在不同癌症类型中观察到 ICB 有效治疗后显著增加的(1)终末分化且耗竭信号较强的肿瘤特异T细胞或(2)耗竭程度低的肿瘤特异T细胞前体细胞都可以有效杀伤癌细胞并引起肿瘤的减小。

为了进一步探究这一现象,研究人员对肿瘤特异性 CXCL13+CD8+ T 细胞进行聚类分析,鉴定了前体肿瘤特异性 CXCL13+CD8+ T 细胞(包括IL7R+HAVCR2-以及GZMK+HAVCR2-两个亚型)以及耗竭信号较强的终末分化肿瘤特异T细胞,并且发现肿瘤特异性 CXCL13+CD8+ T 细胞不同分化状态亚型在表观特征上是稳定的(图3)。


研究人员发现在不同癌症类型中以及治疗策略不同时(例如是否与化疗联用),治疗引起增加的肿瘤特异 T 细胞的亚类是不一样的。当肿瘤微环境整体免疫抑制强度较高时,ICB 不足以维持前体肿瘤特异性 CXCL13+CD8+ T 细胞的状态,观察到终末分化的肿瘤特异T细胞增加,但治疗仍然有效。当肿瘤微环境整体免疫抑制强度较低时,ICB 有效阻断了肿瘤特异性 CXCL13+CD8+ T 细胞前体细胞向耗竭程度较高的终末状态的分化(图3)。

图3:CXCL13+CD8+ T细胞亚型与ICB治疗关系

在 CD4 T 细胞中,ICB 显著地增加了 CXCL13+CD4+ T 细胞(图4),表明了该类群是 CD4 T 细胞中对 ICB 响应的主要类群,这与最近相关研究发现 CXCL13+CD4+ T 细胞能够识别并处理肿瘤抗原特异一致。

此外,研究发现同时检测肿瘤中 CXCL13+CD4+ T 和 CXCL13+CD8+ T 细胞类群的比例可以更准确地预测 ICB 的疗效,在多个癌症类型中的预测准确率>90%(图4),性能显著高于传统的标志物 TMB。

图4:CXCL13+CD4+ T细胞与免疫治疗

该研究的科学发现(1)为分析肿瘤中的肿瘤特异T细胞提供了新的思路;(2)为预测ICB疗效提供了准确的生物标志物;(3)为设计以 TCR-T 为代表的细胞疗法提供了新的策略,即通过 CXCL13 表达水平鉴定肿瘤中不同分化阶段的肿瘤特异T细胞克隆并设计后续临床试验;(4)为进一步提高 ICB 疗效提供了新的见解,即通过 ICB 与其他疗法联合治疗进一步缓解肿瘤微环境中的免疫抑制强度,维持前体肿瘤特异性 CXCL13+CD8+ T 细胞状态并阻断其向终末状态分化,进而继续提高治疗效果。



(责任编辑:labwebx)

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