单细胞转录组测序在肿瘤免疫微环境中的应用

Question

如题所述

Answer 1

癌症，一种由基因改变导致的复杂疾病，严重威胁着人类健康。过去25年，研究人员已通过专注于T细胞及其免疫检查点蛋白，成功开发出肿瘤免疫疗法，实现对多种癌症临床治疗的显著效果。当前的免疫疗法，包括癌症疫苗、过继性免疫治疗和免疫检查点阻断，已在黑色素瘤、淋巴瘤、头颈部癌、透明细胞肾癌、微卫星不稳定(MSI)肿瘤、胃癌、膀胱癌和非小细胞肺癌等癌症中表现出临床有效。然而，这些疗法仅对一小部分患者有效。深入理解肿瘤免疫逃逸的精确细胞分子机制是改进现有疗法或开发新治疗途径的关键。

阐明肿瘤浸润性免疫细胞的生物学特性对理解肿瘤免疫和优化免疫疗法至关重要。近年来，单细胞转录组测序(scRNA-seq)在多种癌症类型肿瘤微环境中的应用，揭示了肿瘤浸润性T细胞、树突状细胞和巨噬细胞的起源和动力学。这些研究不仅揭示了肿瘤免疫的通用模式和组织特异性，还揭示了各种免疫细胞类型和功能组成的差异，这些差异决定了对免疫疗法的不同响应。scRNA-seq技术能进一步识别可靠的预测性生物标志物，并发现具有巨大潜力的治疗性预测标记，补充现有免疫疗法。

肿瘤微环境由多种细胞组成，包括癌细胞、成纤维细胞、内皮细胞和免疫细胞。这些细胞与周围环境之间复杂、动态的相互作用使肿瘤微环境表现出极高的异质性。树突状细胞在肿瘤微环境中起着关键的抗原提呈作用，它们从肿瘤区域迁移到淋巴结，将肿瘤相关抗原呈递给T细胞，随后活化的T细胞进入肿瘤区域清除癌细胞。然而，多种机制可以干扰这种免疫周期，导致肿瘤的免疫逃逸。

在肿瘤浸润性T细胞中，CD8+T细胞根据功能状态分为耗竭T细胞和效应T细胞。耗竭T细胞的特征是抑制性受体表达升高，如PD-1、CTLA-4、TIM3、TIGIT和LAG3。尽管耗竭T细胞可以表达部分细胞毒性基因，如IFNG、GZMB和PRF1，但它们的IL-2、TNF-α（肿瘤坏死因子α）和TBX21表达往往缺失或水平较低。耗竭T细胞可能因长期暴露于抗原诱导或肿瘤内免疫抑制特性导致。增殖性CD8+T细胞与非增殖耗竭的CD8+T相比，T细胞的耗竭信号略低，暗示T细胞的衰竭过程可能滞后于T细胞的增殖。GZMK+T细胞较少表达或不表达T细胞衰竭相关标记物，IFNG和PRF1的高表达表明它们是一组CD8+效应记忆T细胞。GZMK+T细胞的广泛存在在不同癌种中表明了其在肿瘤免疫中的特定作用。

在不同的癌症类型中，肿瘤浸润性T细胞的克隆扩增比例存在差异，这可能是患者生存状况和对免疫疗法响应的预示标志，值得在所有癌症类型中进行深入研究。肿瘤微环境中效应记忆T细胞和耗竭T细胞的比例因癌症类型和患者而异，它们的相对比例对于患者预后和免疫疗法响应具有重要意义。

肿瘤浸润性T细胞在不同解剖来源的肿瘤组织中表现出不同的特性，如MAIT细胞（粘膜相关不变性T细胞）在肝细胞癌中显著富集，而在非小细胞肺癌中很少见，主要是以转录因子ZNF683为特征的CD8+T细胞亚群，高表达PRF1、GZMB和PDCD1。TCR的多样性为鉴定T细胞克隆、跟踪克隆群体动态提供了天然分子标记，scRNA-seq技术结合STARTRAC生物信息学方法可进行四种类型的T细胞动力学定量评估。

对各种肿瘤的scRNA-seq研究揭示了肿瘤浸润性T细胞的起源模式，包括局部扩张、邻近组织的GZMK+效应记忆T细胞渗透以及组织驻留T细胞（Trm）的形成。这三种来源的贡献与肿瘤微环境的免疫状态有关，CD8+T细胞的外周来源频率较低，但与各种癌症类型患者的免疫治疗响应相关。

肿瘤浸润性CD4+T细胞的克隆扩增程度普遍较低，而肿瘤驻留的Treg（具有高增殖标记）在不同的癌症类型中表现出更高的克隆扩增水平。局部扩张是肿瘤浸润性Treg的主要来源，肿瘤浸润性Treg和传统CD4+T细胞（Th1和Th17）之间存在共享的TCRs，但与癌旁正常组织Treg的共享频率较低。肿瘤组织中富集的Treg，特别是4-1BB+亚群，与非小细胞肺癌患者的不良预后有关，强调了其免疫抑制作用。

常规T细胞（Tconvs）在不同癌症患者的scRNA-seq研究中表现出较大的异质性。在MSI肿瘤微环境中，Th1-like T细胞显著富集，而在MSS结直肠癌患者中没有。Th1-like细胞的富集可能解释了它们对免疫治疗的良好响应。在MSS患者中，Th17细胞的富集与TCR与Treg的克隆重叠，揭示了其肿瘤免疫抑制和对免疫治疗无效的原理。

树突状细胞作为专业的抗原提呈细胞，在诱导和维持抗肿瘤免疫中扮演重要角色。LAMP3可以作为成熟标记将树突状细胞亚群从初级cDC和pDC中分离开来。成熟的、迁移性的树突状细胞亚群具有FSCN1、CCR7、CCL19、CCL22和CD274作为保守标记基因。LAMP3+树突状细胞倾向于表达更多类型的趋化因子、细胞因子和共刺激/抑制配体，调节肿瘤浸润性T细胞的功能。

巨噬细胞在肿瘤微环境中具有表型可塑性。经典激活的M1巨噬细胞具有促炎特征，而交替激活的M2巨噬细胞则通过其抗炎功能促进肿瘤生长。巨噬细胞的表型在人类和小鼠之间相对保守，但在不同癌症类型之间表现出更高的表型可塑性和异质性。FCN1+TAMs、C1Q+TAMs和SPP1+TAMs在肿瘤微环境中发挥着关键作用，并与不同的免疫细胞相互作用。

scRNA-seq技术在识别与肿瘤免疫治疗应答、耐药性相关的单个标记物或特定细胞亚群方面具有重要作用。从邻近甚至外周组织招募的T细胞对于对肿瘤免疫治疗非常重要。例如，CXCR5/TCF1+CD8+T细胞群被认为是免疫检查点抑制持久反应的重要介质。此外，不同类型的CD4+T细胞，如Th1-like和Th17细胞，在有效抗肿瘤免疫和免疫治疗应答中也发挥着关键作用。多功能辅助性CD4+T细胞具有细胞毒性，能够介导对抗CD40治疗的反应。

单细胞转录组测序技术，如SMART-seq2和10x Genomics，提供了对肿瘤浸润性免疫细胞的全面研究。基于微孔板的方法，如SMART-seq2，具有广泛的基因表达谱表征能力，而基于液滴的方法，如10x Genomics，提供了高细胞通量，适用于组织中细胞类型的全面取样。近期，M20 Genomics发布的M20 Seq技术提供了一种基于随机引物的高通量单细胞全长测序方法，能够获得高通量、无偏好的单细胞转录本文库，为肿瘤免疫微环境研究提供了更全面的平台。