单细胞测序揭示肺癌肿瘤免疫细胞亚型的细胞图谱

来源：生物通

该研究发表在Immunity杂志上，揭示了25个骨髓细胞亚群，许多以前未被描述过，具有不同的基因表达特征，这些特征在许多患者中是一致的。大多数的细胞亚群在肺癌小鼠模型中也被鉴定出来过，这表明不同物种的骨髓细胞高度相似。

最近免疫疗法的出现标志着多种癌症的研究和护理发生了巨大变化，给世界各地的患者和家庭带来了新的希望。对于那些对治疗有反应的人来说，结果可能是激动人心的。激活病人的癌症免疫系统可以杀死或缩小肿瘤，在某些情况下，会导致完全缓解。

尽管取得了重大进展，但只有少数人从免疫治疗中获益，原因尚不清楚。

免疫治疗研究主要集中在T细胞上，T细胞是一种学习识别特定蛋白并发动攻击的免疫细胞。然而，肿瘤是多种不同细胞类型的复杂混合物，包括其他免疫细胞，这些免疫细胞统称为肿瘤浸润性髓细胞。这些细胞是免疫治疗的替代靶点，但它们在肿瘤中的作用仍不清楚。

为了对这些免疫细胞家族进行了深入研究，哈佛医学院的研究人员在布拉瓦尼克研究所、马萨诸塞州总医院、贝丝以色列女执事医疗中心、布里格姆妇女医院等地使用单细胞测序来绘制肺癌患者肿瘤中骨髓细胞的细胞谱系。

该研究发表在Immunity杂志上，揭示了25个骨髓细胞亚群，许多以前未被描述过，具有不同的基因表达特征，这些特征在许多患者中是一致的。大多数的细胞亚群在肺癌小鼠模型中也被鉴定出来过，这表明不同物种的骨髓细胞高度相似。

作者说，这些发现为未来的研究提供了基础，以解释髓系细胞在癌症中的确切作用，并评价这些细胞作为新的或改进的免疫疗法靶点的潜力。

“免疫疗法显然是癌症治疗的一种转型方法，但有许多患者没有反应，问题是为什么？”哈佛医学院系统生物学助理教授，该文章的共同通讯作者Allon Klein说。

“部分答案肯定是骨髓细胞的水平，骨髓细胞与肿瘤细胞和T细胞都有很强的相互作用，”Klein继续说。“通过识别肿瘤中髓细胞状态的丰富复杂性，我们现在有了一个强有力的起点来更好地了解它们的功能和临床应用。” 

作者说，特别重要的是发现骨髓亚群可以在不同的人类患者和小鼠中被确切的识别，这一观察强调了小鼠模型在免疫治疗研究中的基本用途。

“在每个病人中的肿瘤细胞是不同的，但肿瘤浸润髓样细胞的特性在同一患者中有很大的相似性。而且，许多骨髓细胞群在患者和小鼠中保存得非常好，” 马萨诸塞州总医院的哈佛医学院放射科副教授，该文章的共同通讯作者Mikael Pittet说。

“这是令人兴奋的，因为越来越多的基于小鼠研究的证据表明，骨髓细胞可以控制癌症的发展，并影响几乎所有类型的癌症治疗，包括免疫治疗，”Pittet补充说。

一致的复杂性

骨髓细胞——包括单核细胞、巨噬细胞、树突细胞和粒细胞在内的免疫细胞——是先天免疫系统的一部分，是机体抵御外来病原体的第一道防线。它们在激活包括T细胞在内的适应性免疫系统中起着重要作用，T细胞能够精确地定位和消灭病原体。

为了更好地了解肿瘤中髓细胞的多样性，Pittet与Klein合作，后者领导了单细胞基因表达分析的关键技术inDrops的开发。在目前的研究中，Pitte、Klein和他的同事将这项技术应用于一小部分患者和患有非小细胞肺癌的小鼠中。他们总共从56000多个单个细胞中收集基因表达数据，一次一个细胞。

他们的分析揭示了髓细胞基因表达特征，这些特征可分为25个不同的簇，大大增加了已知髓细胞状态的数量。

他们发现树突状细胞，例如，Pittet 和他的同事先前发现的树突状细胞，是小鼠抗PD-1免疫治疗成功的关键，它包含四种不同的亚型，这些亚型在很大程度上在人类和小鼠之间是相似的。单核细胞亚型在人类和小鼠之间也很匹配，而巨噬细胞既是物种间保守的，又会因物种而异。

中性粒细胞是哺乳动物中最丰富的白细胞，在人类和小鼠中形成了5种类似亚型的细胞谱系，其中一种亚型是小鼠独有的。Pitte在之前与Klein的合作中发现，表达高水平Siglecf基因的中性粒细胞具有促进肿瘤的特性。新的分析证实了这一发现，表明这些中性粒细胞在肿瘤中高度富集。

“骨髓细胞群是复杂的，但我们在患者和物种间看到了相同的复杂性，这让我们相信，对小鼠模型的研究可以应用到人类上，”马萨诸塞州总医院系统生物学中心的肿瘤免疫学项目主任Pitte说。

“既然我们有了这样一个细胞图谱，我们就可以更好地设计研究来评估独特的亚群在肿瘤进展中的作用，并寻找操纵特定细胞的方法，以期使免疫疗法更有效，”Pitte补充说。

例如，通过绘制骨髓细胞基因表达模式图，科学家可以挖掘已知临床患者的现有数据集，以寻找特定人群的骨髓细胞，并评估其与患者生存率的关系。

Klein、Pitte和同事在他们的研究中检验了这种方法的可行性，并发现了有希望的候选者，但需要更大的患者样本量来得出结论性的结果。为此，他们与布里格姆妇女医院的哈弗医学院外科教授Raphael Bueno和贝丝以色列女执事医疗中心的哈弗医学院讲师Elena Levantini合作，他们正在研究肺癌标本中的患者生存相关因素。

“肺癌在美国仍然是一种常见的致命性恶性肿瘤，这一重要的合作为发展针对肺癌患者的个性化治疗提供了新的线索和方向，肺癌没有其他好的治疗选择，”Bueno说，他是胸外科主任，也是布里格姆妇女医院胸外科和肺癌研究的杰出教授。

研究小组还观察了骨髓细胞在肿瘤中的行为是否可以通过血液中循环的骨髓细胞取样来研究，发现两者之间相差很远。

除了即时的基础和转化研究机会外，研究结果还为诸如人类肿瘤细胞图谱、绘制人体所有细胞类型图谱的努力以及人类肿瘤细胞谱系网络等倡议的工作提供了信息，在细胞和分子细节上创造多种癌症类型的图谱。

“这项工作与生物医学的许多领域，特别是免疫学领域正在发生的单细胞革命相适应，”Klein说。“为了改进免疫疗法，我们需要尽可能多地了解所涉及的细胞和过程。这需要真正的团队合作，如果没有医学院的出色合作，我们的研究是不可能实现的。”