單細胞測序揭示肺癌腫瘤免疫細胞亞型的細胞圖譜

　　最近免疫療法的出現標志著多種癌癥的研究和護理發生了巨大變化，給世界各地的患者和家庭帶來了新的希望。對于那些對治療有反應的人來說，結果可能是激動人心的。激活病人的癌癥免疫系統可以殺死或縮小腫瘤，在某些情況下，會導致完全緩解。

　　盡管取得了重大進展，但只有少數人從免疫治療中獲益，原因尚不清楚。

　　免疫治療研究主要集中在T細胞上，T細胞是一種學習識別特定蛋白并發動攻擊的免疫細胞。然而，腫瘤是多種不同細胞類型的復雜混合物，包括其他免疫細胞，這些免疫細胞統稱為腫瘤浸潤性髓細胞。這些細胞是免疫治療的替代靶點，但它們在腫瘤中的作用仍不清楚。

　　為了對這些免疫細胞家族進行了深入研究，哈佛醫學院的研究人員在布拉瓦尼克研究所、馬薩諸塞州總醫院、貝絲以色列女執事醫療中心、布里格姆婦女醫院等地使用單細胞測序來繪制肺癌患者腫瘤中骨髓細胞的細胞譜系。

　　該研究發表在Immunity雜志上，揭示了25個骨髓細胞亞群，許多以前未被描述過，具有不同的基因表達特征，這些特征在許多患者中是一致的。大多數的細胞亞群在肺癌小鼠模型中也被鑒定出來過，這表明不同物種的骨髓細胞高度相似。

　　作者說，這些發現為未來的研究提供了基礎，以解釋髓系細胞在癌癥中的確切作用，并評價這些細胞作為新的或改進的免疫療法靶點的潛力。

　　“免疫療法顯然是癌癥治療的一種轉型方法，但有許多患者沒有反應，問題是為什么？”哈佛醫學院系統生物學助理教授，該文章的共同通訊作者Allon Klein說。

　　“部分答案肯定是骨髓細胞的水平，骨髓細胞與腫瘤細胞和T細胞都有很強的相互作用，”Klein繼續說。“通過識別腫瘤中髓細胞狀態的豐富復雜性，我們現在有了一個強有力的起點來更好地了解它們的功能和臨床應用。”

　　作者說，特別重要的是發現骨髓亞群可以在不同的人類患者和小鼠中被確切的識別，這一觀察強調了小鼠模型在免疫治療研究中的基本用途。

　　“在每個病人中的腫瘤細胞是不同的，但腫瘤浸潤髓樣細胞的特性在同一患者中有很大的相似性。而且，許多骨髓細胞群在患者和小鼠中保存得非常好，” 馬薩諸塞州總醫院的哈佛醫學院放射科副教授，該文章的共同通訊作者Mikael Pittet說。

　　“這是令人興奮的，因為越來越多的基于小鼠研究的證據表明，骨髓細胞可以控制癌癥的發展，并影響幾乎所有類型的癌癥治療，包括免疫治療，”Pittet補充說。

　　一致的復雜性

　　骨髓細胞——包括單核細胞、巨噬細胞、樹突細胞和粒細胞在內的免疫細胞——是先天免疫系統的一部分，是機體抵御外來病原體的第一道防線。它們在激活包括T細胞在內的適應性免疫系統中起著重要作用，T細胞能夠精確地定位和消滅病原體。

　　為了更好地了解腫瘤中髓細胞的多樣性，Pittet與Klein合作，后者領導了單細胞基因表達分析的關鍵技術inDrops的開發。在目前的研究中，Pitte、Klein和他的同事將這項技術應用于一小部分患者和患有非小細胞肺癌的小鼠中。他們總共從56000多個單個細胞中收集基因表達數據，一次一個細胞。

　　他們的分析揭示了髓細胞基因表達特征，這些特征可分為25個不同的簇，大大增加了已知髓細胞狀態的數量。

　　他們發現樹突狀細胞，例如，Pittet 和他的同事先前發現的樹突狀細胞，是小鼠抗PD-1免疫治療成功的關鍵，它包含四種不同的亞型，這些亞型在很大程度上在人類和小鼠之間是相似的。單核細胞亞型在人類和小鼠之間也很匹配，而巨噬細胞既是物種間保守的，又會因物種而異。

　　中性粒細胞是哺乳動物中最豐富的白細胞，在人類和小鼠中形成了5種類似亞型的細胞譜系，其中一種亞型是小鼠獨有的。Pitte在之前與Klein的合作中發現，表達高水平Siglecf基因的中性粒細胞具有促進腫瘤的特性。新的分析證實了這一發現，表明這些中性粒細胞在腫瘤中高度富集。

　　“骨髓細胞群是復雜的，但我們在患者和物種間看到了相同的復雜性，這讓我們相信，對小鼠模型的研究可以應用到人類上，”馬薩諸塞州總醫院系統生物學中心的腫瘤免疫學項目主任Pitte說。

　　“既然我們有了這樣一個細胞圖譜，我們就可以更好地設計研究來評估獨特的亞群在腫瘤進展中的作用，并尋找操縱特定細胞的方法，以期使免疫療法更有效，”Pitte補充說。

　　例如，通過繪制骨髓細胞基因表達模式圖，科學家可以挖掘已知臨床患者的現有數據集，以尋找特定人群的骨髓細胞，并評估其與患者生存率的關系。

　　Klein、Pitte和同事在他們的研究中檢驗了這種方法的可行性，并發現了有希望的候選者，但需要更大的患者樣本量來得出結論性的結果。為此，他們與布里格姆婦女醫院的哈弗醫學院外科教授Raphael Bueno和貝絲以色列女執事醫療中心的哈弗醫學院講師Elena Levantini合作，他們正在研究肺癌標本中的患者生存相關因素。

　　“肺癌在美國仍然是一種常見的致命性惡性腫瘤，這一重要的合作為發展針對肺癌患者的個性化治療提供了新的線索和方向，肺癌沒有其他好的治療選擇，”Bueno說，他是胸外科主任，也是布里格姆婦女醫院胸外科和肺癌研究的杰出教授。

　　研究小組還觀察了骨髓細胞在腫瘤中的行為是否可以通過血液中循環的骨髓細胞取樣來研究，發現兩者之間相差很遠。

　　除了即時的基礎和轉化研究機會外，研究結果還為諸如人類腫瘤細胞圖譜、繪制人體所有細胞類型圖譜的努力以及人類腫瘤細胞譜系網絡等倡議的工作提供了信息，在細胞和分子細節上創造多種癌癥類型的圖譜。

　　“這項工作與生物醫學的許多領域，特別是免疫學領域正在發生的單細胞革命相適應，”Klein說。“為了改進免疫療法，我們需要盡可能多地了解所涉及的細胞和過程。這需要真正的團隊合作，如果沒有醫學院的出色合作，我們的研究是不可能實現的。”