Cell | 索生宝等揭示新辅助免疫治疗在头颈部鳞状细胞癌中的早期应答机制

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关键词：治疗免疫揭示Cell癌细胞免疫治疗

资讯来源：BioArt

发布时间： 2022-07-09

责编 | 兮

肿瘤免疫治疗是继手术、放化疗等传统治疗方法后快速发展的新一代肿瘤治疗方法，具有巨大的临床应用前景。近年来，免疫检查点阻断 （ ICB ）的抗肿瘤免疫疗法已在多种癌症的治疗中取得了较好的临床效果 【1-2】 。最新临床试验结果显示，新辅助ICB疗法对可切除肿瘤（如黑色素瘤、肺癌、结肠癌等）能展现出良好的治疗效果 【3-4】 ，其主要优势包括：（1）连接肿瘤和引流淋巴结的淋巴管的完整性得以保持，从而能够启动新的T细胞反应；（2）ICB诱导的肿瘤内T细胞扩增及其浸润边界可增强对肿瘤的局部控制；（3）免疫功能不会因之前的化疗和放疗治疗而受到影响 【5-6】 。对于 头颈部鳞状细胞癌 ( HNSCC ) ，其早期研究结果已证明新辅助ICB疗法具备较好的病理缓解率和显著的肿瘤降期潜力 【7-9】 。然而，其背后的细胞和分子作用机制仍不清楚。

2022年7月7日，Dana-Farber癌症研究所/哈佛医学院的Kai W. Wucherpfenning和Jonathan D. Schoenfeld团队以及广州实验室的索生宝研究员等在Cell杂志上在线发表了题为 Tissue-resident Memory and Circulating T cells are Early Responders to Pre-surgical Cancer Immunotherapy 的研究论文。该研究通过运用单细胞RNA测序（scRNA-seq），单细胞TCR测序（scTCR-seq）及多细胞TCR深度测序等技术，结合计算生物学方法，对接受PD-1单一抗体以及PD-1 和CTLA-4联合抗体新辅助免疫治疗前后的HNSCC患者（来自二期临床试验）的肿瘤浸润和循环免疫单细胞测序数据进行了系统性分析，阐述了新辅助免疫疗法在早期肿瘤治疗中的免疫分子动态变化趋势，系统揭示早期免疫应答中的关键 Trm 基因表达程序及血液循环系统在免疫治疗中的重要功能。

在该二期临床试验中，尽管HNSCC患者治疗时间较短，但多项临床指标说明新辅助免疫疗法具有较好的治疗效果，其中整个队列中有超过50%的患者在手术前实现了肿瘤体积的缩小。尽管58.6%的患者在初次就诊时发现了淋巴结转移，最新随访数据显示，采用该治疗方法后患者的3年生存期大于80%。为了从分子水平上探究免疫细胞在治疗早期的响应情况，该研究系统整合单细胞和深度 TCR 数据，对HNSCC患者的肿瘤浸润和循环系统免疫单细胞数据进行了深入的动力学分析。T细胞受体（T cell receptor，TCR）信号通路的激活能引起T细胞的大量增殖，每个T细胞都有自身特有的TCR序列。因此，基于同一TCR序列出现的频率能识别出治疗前后发生显著性扩增的T细胞，以及通过TCR的序列信息分析细胞之间的分化轨迹。通过构建统计学模型对CD8多细胞TCR深度测序数据进行分析，该研究确定了治疗后显著性扩增的TCR克隆型（Tx-E TCRs）。

根据TCRβ序列信息，结合scTCR-seq数据将扩增的T细胞映射到scRNA-seq数据，发现大多数Tx-E克隆型存在于治疗前的肿瘤中，这些发生扩增的T细胞非常特异性的富集在ITGAE⁺ CD8和Cycling CD8细胞群，而非扩增型（Tx-NE）细胞在GZMK⁺ CD8和KLF2^hi CD8细胞群中富集。进一步通过比较肿瘤内部扩增型T细胞（Tx-E）和非扩增型T细胞（Tx-NE），发现扩增型T细胞高表达组织驻留记忆T细胞（Trm）特异的基因。通过计算独立的标志基因的激活得分，同样证明扩增型T细胞富集Trm、细胞毒性、NK细胞受体、抑制受体相关标志基因。该研究表明，在早期新辅助免疫治疗过程中CD8 Trm特异性基因表达程序对免疫治疗有明显响应，Trm相关基因表达程序可能通过促进CD8 T细胞与肿瘤细胞的粘附（ITGAE），诱导T细胞介导的效应功能（GZMB，PRF1，IFNG）以及招募其他的免疫细胞群（CXCL13）来发挥其重要功能。

通过对Tx-E克隆型进一步分析，发现大约37.5%-85.7% Tx-E克隆型在治疗之前已存在于肿瘤中（pre-existing克隆），然而，仍有相当一部分Tx-E只在治疗后的肿瘤中被检测到（emergent克隆）。通过整合肿瘤和血液TCR数据集发现，大部分emergent克隆同时出现在治疗期间的血液样本和肿瘤样本。该结果暗示肿瘤内ICB治疗的早期反应可能主要由预先存在的带有Trm基因程序的T细胞介导；与此同时，初始于肿瘤-引流淋巴结的新T细胞群，通过血液循环系统进入肿瘤内部，进而介导对ICB的响应。除此之外，通过对Tx-E TCR进行特异性抗原筛查，识别出多种自我抗原，包括癌症特异性抗原MAGEA1等。

通过系统地分析血液中T细胞的动态变化，发现在ICB治疗2周后，活化的T细胞显著性富集于CD38⁺ CD8 细胞群。该细胞群特异性高表达 CD38、 HLA-DRA以及细胞增殖相关的MKI67基因。有趣的是，将血液和肿瘤样本中显著性扩增的Tx-E克隆分别映射到血液单细胞数据中，发现这些扩增的克隆同样富集于该CD38⁺ CD8 细胞群。该结果揭示血液中CD38⁺ CD8细胞在新辅助ICB的早期响应中扮演重要角色。为了识别血液细胞群中跟治疗应答相关的生物标志基因，该研究进一步采用流式细胞术从患者CD8 血液T细胞中分选出CD38⁺ HLA-DRA⁺细胞，并通过计算对比验证该分选细胞群与之前CD38⁺ CD8 细胞群具有很高的相似性。分析显示PD-1⁺ CD8 T细胞在该分选细胞群体中富集，但并未发现PD-1⁺ CD8 T细胞频率与治疗病理应答（pathological response）存在相关性。然而，PD-1⁺ KLRG1^-的CD8 T细胞频率却与病理反应密切相关。KLRG1是终末分化的标志基因，该结果说明了循环PD-1⁺ CD8 T细胞分化状态对ICB响应的重要性。因此，在ICB治疗前对患者血液进行相应生物标志物的检测，将有助于早期精准筛选免疫治疗适用人群。

总的来说，新辅助免疫检查点阻断疗法能表现出良好的临床效益。该工作基于二期临床试验单细胞数据，结合多因素单细胞数据整合和深度 TCR 数据挖掘算法，从多重数据维度详细阐述了新辅助免疫治疗在早期肿瘤治疗中的免疫分子动态变化图谱，系统揭示了早期免疫应答中的关键 Trm 基因表达程序。此外，分析结果揭示新辅助免疫治疗能同时增强肿瘤局部和全身循环系统的免疫反应，从而对抗潜在微转移灶，降低转移风险。该研究将为 T 细胞靶向免疫疗法、CAR-T 细胞治疗及癌症疫苗开发提供新的理论指导。

图1：新辅助免疫治疗在头颈部鳞状细胞癌中的早期应答机制

原文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00723-1

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制版人：十一

参考文献

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