腫瘤微環境(TME)特征與癌癥免疫治療的效果有著內在的聯系，且TME的特征會顯著影響癌癥的進展和轉移情況。系統解析腫瘤微環境中不同細胞的表型是理解腫瘤發生發展、以及提高免疫治療效果的關鍵。
然而隨著近些年單細胞技術的發展，研究人員發現不同癌癥類型之間的TME有著巨大的差異，如耗竭T細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胞類型，如大腦中的小神經膠質細胞，肝中的黏膜相關恒定T細胞(MAIT)和胃腸道中的上皮內淋巴細胞(IEL)等。那么造成不同癌癥類型之間TME差異的原因是什么?是由器官微環境(niche)造成?還是由腫瘤細胞特征(malignancy)造成?亦或是兩者協同作用?
2022年3月17日，北京大學生物醫學前沿創新中心(BIOPIC)張澤民教授、任仙文副研究員、首都醫科大學附屬北京世紀壇醫院外科彭吉潤教授合作在Cell子刊Cancer Cell發表了題為：Immune phenotypic linkage between colorectal cancer and liver metastasis的研究論文。
對來自不同癌種、不同病人的腫瘤微環境進行比較分析無法回答造成不同癌癥類型之間腫瘤微環境差異的原因，因其無法排除腫瘤細胞差異和不同病人遺傳背景不同而產生的影響。與跨癌種分析不同，腫瘤轉移的過程為研究人員提供了一個獨特的系統來揭開niche和malignancy對TME的影響，因轉移位腫瘤來自同一個體的原發腫瘤，收集轉移患者的不同腫瘤位點可以幫助研究人員解析相同來源的腫瘤細胞在不同器官中形成的TME。
研究人員收集了17個未經治療的結直腸癌肝轉移(CRLM)患者的包括原發腸癌及癌旁，肝轉移及癌旁，腸系膜淋巴結和外周血在內的101例配對樣本，通過多平臺的scRNA-seq和T細胞受體(TCR)序列測序，構建了CRLM患者免疫細胞的高分辨率轉錄組圖譜。進一步整合了18位原發結直腸癌(CRC)和16位原發肝癌(HCC)患者的100例配對樣本，設計了PhenoAligner方法來量化niche和malignancy對免疫細胞表型的影響，定義了表型顯著受到腫瘤細胞特征影響的免疫類群(M型)、表型顯著受到器官微環境影響的免疫類群(N型)，系統揭示了TME、癌癥類型和器官微環境之間復雜的相互作用。
圖 課題研究方案及主要結論
通過比較CRC和HCC患者的免疫細胞浸潤情況，研究人員發現免疫細胞的浸潤可能與病理狀態相關(腫瘤/癌旁組織)，也可能與其駐留的器官相關(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細胞傾向于在肝中富集而IEL細胞傾向于在腸中富集。為了去除跨癌種比較潛在的偏差，研究人員利用腫瘤轉移數據自體對照的優勢，設計了PhenoAligner算法以CRLM為模型系統評估了niche和malignancy對免疫細胞表型的影響。
圖 PhenoAligner方法的原理
在CD8+T細胞中，耗竭T細胞(Tex)被識別為M類，即其表型主要受腫瘤細胞決定：在原發腫瘤位和肝轉移位存在大量相近表型的Tex細胞，而在其他組織中不存在或極少。這一基于PhenoAligner分析得到的結果進一步得到了TCR序列分析結果的證實，在兩個腫瘤位點間存在大量具有相同TCR序列的Tex細胞。但是Tex細胞跨組織遷移的能力極低，進一步的TCR信息和velocity分析揭示外周血中的Temra, Tem和原發灶、轉移灶中的Tex細胞之間存在緊密關系，可能由共同的前體細胞經過相同的腫瘤相關抗原刺激形成。這一發現進一步豐富和深化了目前對腫瘤免疫循環(cancer-immunity cycle)過程的認識。CD8+T細胞在腫瘤免疫循環中浸潤到不同腫瘤位點的過程 在CD4+ T細胞中，四個亞類被PhenoAligner識別為M類，結合TCR信息發現其中Treg-CTLA4和Th1-like細胞與Tex細胞一樣呈現TCR依賴的模式，而Treg-IL10和Th17細胞則呈現TCR不依賴的模式，即在原發和轉移腫瘤位之間沒有共享的TCR序列，揭示不同腫瘤位點的Treg-CTLA4和Th1-like細胞來源于同樣的前體細胞，而Treg-IL10和Th17細胞則是被腫瘤細胞從不同的起源招募而來。研究人員還發現CRLM患者的原位腫瘤中兩類Treg細胞(Treg-IL10和Treg-CTLA4)的浸潤要顯著多于沒有發生轉移的CRC患者，表明與未轉移的腸癌相比，發生肝轉移的原位腸癌的腫瘤微環境呈現更強的免疫抑制狀態。 樹突狀細胞(DC)是抗原特異性免疫反應的關鍵細胞亞群之一，在該項研究中研究人員首次在CRLM病人的腫瘤中鑒定出了DC3這一新的DC2亞型，且被PhenoAligner方法識別為M類。DC3高表達C1QA，CD68，CD163和CD14，且其特征基因和較差的預后相關。 此外，研究人員發現了三群分別高表達SPP1，C1QC和MKI67的腫瘤相關巨噬細胞(TAM)，且這三群都被識別為M類。其中，C1QC+ TAM高表達CXCL9和CXCL10等與免疫檢查點治療好的響應相關的基因，且主要發揮細胞吞噬和抗原呈遞的功能，提示C1QC+ TAM可能在CRLM患者的治療中發揮有益作用。與之相反，SPP1+ TAM主要發揮促血管生成和促進腫瘤轉移的功能，且其特征基因和更差的預后相關。值得注意的是，研究人員發現SPP1+ TAM不存在于原發肝癌中，卻在結直腸癌的肝轉移位點顯著富集。對淋巴結位點的分析也發現，SPP1+ TAM只在淋巴結轉移的患者中被識別到，提示SPP1+ TAM會促進CRC癌細胞的轉移，對其進行功能抑制可能會在CRLM患者的治療中發揮積極的作用。 綜上，該研究勾勒出了結直腸癌肝轉移患者多種組織的免疫圖譜，揭示了腫瘤細胞特性和駐留器官對不同免疫細胞表型的影響，為深入理解不同癌癥類型之間的免疫特征搭建了橋梁。通過PhenoAligner方法識別到了多種與腫瘤進展或轉移相關的關鍵性免疫細胞，為開發轉移癌新的臨床檢測與治療手段提供了新的思路，也為后續相關研究工作提供了極有價值的數據資源。
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