BIOPIC張澤民課題組與合作者在Cell發文揭示結直腸癌靶向髓系細胞...

2020/04/26 信息來源： 生物醫學前沿創新中心

編輯：白楊 |

2020年4月16日，北京大學生物醫學前沿創新中心（BIOPIC）、生命科學學院、北京未來基因診斷高精尖創新中心（ICG）、北大-清華生命科學聯合中心張澤民課題組聯合美國安進（Amgen）公司Jackson G. Egen、Xin Yu團隊，和北京大學人民醫院申佔龍課題組在Cell雜誌上以Article形式在線發表題為＂Single-Cell Analyses Inform Mechanisms of Myeloid-Targeted Therapies in Colon Cancer＂的文章。該研究利用單細胞轉錄組測序技術對結直腸癌患者的腫瘤微環境，特別是浸潤髓系細胞類群首次進行了系統性的刻畫，同時利用小鼠模型，對anti-CSF1R抑制劑和anti-CD40激動劑兩種靶向髓系細胞的免疫治療策略潛在的作用機理給出了解釋。

圖課題總體設計與免疫治療作用機制

腫瘤浸潤髓系免疫細胞在腫瘤微環境中既是最主要的抗原提呈細胞，也是腫瘤發生和生長的關鍵調節因子，在病人對腫瘤免疫療法的響應過程發揮著極為重要的作用。多項靶向髓系免疫細胞如腫瘤相關巨噬細胞（TAM）和樹突狀細胞（DC）的治療策略已進入臨床前試驗。然而，由於我們對腫瘤微環境複雜性的不完全了解，極大地限制了我們對靶向髓系細胞治療的具體作用機制及有效性的認知和臨床應用。

在該項研究中，研究人員首先使用10x及Smart-seq2兩種技術對從結直腸癌患者中收集的免疫和非免疫細胞進行單細胞轉錄組測序，並從中發現腫瘤相關巨噬細胞可以被分為SPP1⁺ TAM和C1QC⁺ TAM兩個具有不同發育來源、不同細胞功能和不同細胞間相互作用關係的細胞類群。其中，C1QC⁺ TAM可能通過IL1B⁺的巨噬細胞發育而來，主要與多種T細胞亞群發生相互作用，發揮細胞吞噬和抗原呈遞的功能；而SPP1⁺ TAM則可能由NLRP3⁺的組織駐留巨噬細胞發育而來，主要與腫瘤相關成纖維細胞（CAF）發生相互作用，發揮促血管生成及促進腫瘤轉移的功能。值得注意的是，結合腸炎病人及健康受試者的單細胞轉錄組數據，研究人員首次發現，SPP1⁺ TAM特異性地富集在結直腸癌病人癌組織中，提示在結直腸癌腫瘤發生發展中的重要作用。

基於以上針對結直腸癌病人腫瘤微環境的解析，研究人員接著利用小鼠腫瘤模型來研究靶向不同髓系細胞類群對抗腫瘤免疫反應造成的影響。研究者分別在MC38和Renca兩種小鼠模型中進行了anti-CD40與anti-CSF1R的治療，並獲得小鼠腫瘤浸潤免疫細胞單細胞轉錄組圖譜。與以上結直腸癌病人相比，DC和T細胞亞群在人和小鼠腫瘤中均有較高的一致性。而儘管巨噬細胞在人鼠間的異質性高於其他免疫細胞類群，但在小鼠腫瘤中也存在著SPP1⁺ TAM和C1QC⁺ TAM的相似巨噬細胞亞群。

通過對治療前後各細胞亞群比例及轉錄組的變化進行分析，研究人員發現anti-CSF1R阻斷型抗體會影響處在細胞周期中的巨噬細胞的增殖，並會特異性地刪除掉一定比例的具有C1QC⁺ TAM特徵的巨噬細胞，卻不會對具有SPP1⁺ TAM特徵的巨噬細胞起到作用，提示anti-CSF1R治療後保留了在腫瘤中具有促進腫瘤血管生成功能的巨噬細胞。

Anti-CD40激動劑治療可以使MC38小鼠的腫瘤體積縮小，且在與PD1阻斷劑聯合使用後還可以進一步抑制腫瘤的生長。本研究發現，使用anti-CD40激動劑對MC38小鼠進行治療後的第2天，激活態的Ccl22⁺ cDC1細胞即迅速做出響應，細胞比例顯著增加。同時，在人鼠間保守的Bhlhe40⁺ Th1細胞比例也顯著上升。使用研究組此前開發的針對T細胞及其克隆性的分析方法STARTRAC，研究人員發現anti-CD40激動劑治療後，Bhlhe40⁺ Th1細胞的克隆增生顯著增強。相比CD4⁺ T細胞，CD8⁺ T細胞的響應速度則較慢，僅在治療後的第10天，可以觀察到Ccl5⁺Tem細胞和Cxcr6⁺Trm細胞比例的顯著增加，值得注意的是，Tem細胞在淋巴結和腫瘤間的遷移能力，及該群細胞與Trm細胞間的轉換能力也在治療後有著顯著的提升，提示此群Tem細胞可能與stem-like T細胞相似，具有補充池（Pool）的功能。

該工作對此前團隊針對結直腸癌腫瘤浸潤T細胞的研究有很好的延續性和前瞻性。此前研究中發現MSI結直腸癌病人中會富集一群BHLHE40⁺ Th1-like細胞，認為可能是該類型患者免疫治療響應更好的原因之一。而對於MSS病人的治療響應仍缺乏認識。在此項結合人鼠單細胞轉錄組的工作中，團隊首次發現靶向DC的治療策略ani-CD40可以顯著地提高此類細胞的水平，為MSS病人的臨床治療策略提供一定的指導。而對SPP1⁺TAM細胞的發現和功能分析，以及對靶向TAM的藥物機制的研究，將大大有助於後續靶點的挖掘及新的治療策略的開發。

北大-清華生命科學聯合中心CLS博士後張雷博士，北京大學生命科學學院博士生李子逸、Amgen公司炎症與腫瘤部Katarzyna M. Skrzypczynska博士為該論文的並列第一作者，張澤民教授、Amgen科學家Jackson G. Egen博士和Xin Yu博士以及北京大學人民醫院胃腸外科申佔龍教授為該論文的共同通訊作者。Amgen炎症與腫瘤免疫部負責人歐陽文軍博士對此研究提供了寶貴建議。該研究得到國家重點研發計劃，國家自然科學基金，ICG和Amgen的支持和資助。合作團隊聲明本文所述實驗，均經過倫理委員會的批准和通過，並嚴格按照批件所述的要求和流程實施。

作者簡介：

【張雷博士簡介】

張雷，博士，北京大學生物醫學前沿創新中心（BIOPIC）/北京大學-清華大學生命科學聯合中心（CLS）博士後，博士畢業於北京大學分子醫學研究所，2016年加入BIOPIC/CLS,從事結直腸癌腫瘤微環境單細胞功能與組學技術應用研究，合作導師為張澤民教授。博士後期間，首次在單細胞層面系統性地解析結直腸癌浸潤T細胞的轉錄組及TCR組庫特徵；與團隊共同開發了STARTRAC生物信息學追蹤方法，對結直腸癌T細胞的組織分布特性、克隆性、遷移性和狀態轉化進行全面刻畫；首次從單細胞層面解析了MSI和MSS結直腸癌病人的T細胞亞型差異，鑑定的新的T細胞類群及特徵展現出在腫瘤免疫治療領域的巨大應用潛力（Zhang et al., Nature, 2018）。成果同年入選「中國生物信息學十大進展」（2018），並受邀共同在Cancer Immunology Research（2019）和Journal of Leukocyte Biology（2020）上對相關工作及領域進行綜述與展望。2016年獲北大-清華生命科學聯合中心博士後基金資助；2018年獲北京大學優秀博士後獎；2019年獲拜耳-北京大學轉化醫學研究中心拜耳博士後獎。

【張澤民教授簡介】

張澤民，北京大學生物醫學前沿創新中心（BIOPIC）與北京未來基因診斷高精尖創新中心（ICG）研究員，北京大學生命科學學院講席教授，北大清華聯合中心高級研究員。1988年本科畢業於南開大學，經CUSBEA赴美留學, 於1995年在賓州州立大學獲得生物化學和分子生物學博士學位。在舊金山加州大學進行博士後研究工作後，於1998年任職於美國Genentech公司，開始生物信息和癌症基因組研究工作，曾任系主任、生物信息首席科學家。2014年加入北京大學，致力於生物信息、癌症基因組和腫瘤免疫研究。他的實驗室目前正利用前沿的實驗技術和生物信息學方法進行腫瘤及其微環境的異質性、耐藥性、以及免疫細胞和腫瘤細胞的相互作用等方面的研究。2018年作為創始人建立百奧智匯科技有限公司，致力於挖掘單細胞基因組學和生物信息學在人類疾病診斷和治療上的應用。2020年入選Cell學術顧問委員會成員。張澤民教授已多次在Cell、Nature、Nature Genetics、Nature Biotechnology、Nature Medicine等國際著名雜誌上發表論文，並擔任多家專業雜誌的編委，包括Cell Systems、Genome Medicine和Cell Reports。