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【學術(shù)講堂】Cell:超11年追蹤揭示免疫壓力對癌症轉移進化的作(zuò)用

Cell:超11年追蹤揭示免疫壓力對癌症轉移進化的作(zuò)用

名詞釋義

免疫評分(ImmunoScore, IS):是一種将腫瘤微環境中的T細胞和(hé)細胞毒性T細胞的密度進行(xíng)量化的标準檢測方法,對腫瘤的轉移及預後判斷具有(yǒu)重要的價值,目前已被證明(míng)可(kě)預測早期和(hé)晚期結直腸癌患者的臨床結果。

免疫編輯(Immunoediting):2002年,免疫學家(jiā)Schreiber和(hé)Dunn提出了著名的“腫瘤免疫編輯學說”,即免疫系統抑制(zhì)腫瘤生(shēng)長的同時(shí)腫瘤的惡性程度逐漸強化,在免疫系統和(hé)腫瘤的相互作(zuò)用中,免疫系統發揮着雙重作(zuò)用:在腫瘤發展過程中免疫系統會(huì)依次出現免疫清除、免疫平衡和(hé)免疫逃逸三個(gè)階段,免疫系統既發揮抗腫瘤效應,同時(shí)又對其進行(xíng)壓力選擇,使得(de)腫瘤細胞發生(shēng)免疫重塑而導緻腫瘤的發生(shēng)發展。

腫瘤微環境(Tumor Microenvironment, TME):是腫瘤細胞賴以生(shēng)存和(hé)發展的複雜環境,腫瘤微環境由細胞成分和(hé)非細胞成分組成。其中細胞成分包括腫瘤細胞本身、炎症細胞、免疫細胞、間(jiān)充質幹細胞、內(nèi)皮細胞以及與腫瘤相關的成纖維細胞等;非細胞成分主要包括細胞因子,趨化因子等。如今研究火(huǒ)熱的腫瘤免疫檢查點抑制(zhì)劑針對的就是所處腫瘤微環境中的免疫細胞,扭轉微環境中免疫抑制(zhì)的現況,再度恢複機體(tǐ)免疫系統對腫瘤細胞的攻擊能力從而起到抗腫瘤效應。

免疫豁免(Immune-Privileged):是指機體(tǐ)某些(xiē)部位對外來(lái)抗原及自身抗原免疫反應很(hěn)弱,以防止因免疫反應引起的組織損傷和(hé)功能紊亂。免疫豁免區(qū)即發生(shēng)免疫排斥較弱的區(qū)域,包括眼球晶狀體(tǐ),睾丸和(hé)中樞神經系統。這些(xiē)區(qū)域可(kě)能因為(wèi)長期缺乏抗原提呈細胞的刺激緻使細胞表面缺乏特異性受體(tǐ)而無法與免疫細胞發生(shēng)免疫應答(dá)或者隻發生(shēng)較弱的應答(dá)反應。

研究亮點

超長時(shí)間(jiān)以及相對大(dà)量的切除樣本跟蹤分析腫瘤克隆進化,建立一個(gè)平行(xíng)選擇模型解釋免疫編輯對癌症轉移進化的作(zuò)用。

重點提煉

免疫評分和(hé)免疫編輯可(kě)描繪不同的免疫逃逸機制(zhì)

非複發性克隆是受免疫編輯的;進展中的克隆具有(yǒu)免疫豁免性

免疫編輯和(hé)免疫指數(shù)是複發轉移的兩個(gè)最佳預測因子

平行(xíng)選擇模型描述了克隆免疫編輯和(hé)腫瘤進化

研究背景

研究人(rén)員假設腫瘤細胞的轉移進展和(hé)克隆進化是由腫瘤內(nèi)在特征以及外在免疫壓力介導的,遵循達爾文選擇的腫瘤克隆基礎,即在免疫清除期根除高(gāo)免疫原性腫瘤克隆,而選擇具有(yǒu)低(dī)免疫原性和(hé)抗免疫攻擊性的腫瘤細胞變體(tǐ)進入平衡期。

據此,研究人(rén)員試圖對轉移性結直腸癌(CRC)患者進行(xíng)為(wèi)期11年的随訪,研究免疫壓力如何影(yǐng)響轉移腫瘤的進化。

該研究描述了不斷演變的轉移基因組和(hé)免疫微環境,同時(shí)描述了免疫監視(shì)、逃逸、克隆傳播與腫瘤進展之間(jiān)的聯系。在此,研究人(rén)員提出了在轉移過程中腫瘤進化的平行(xíng)選擇模型,其進展取決于局部免疫應答(dá)的強度和(hé)質量。

研究內(nèi)容

01、免疫壓力下的轉移進化框架

實驗選取2例IV期CRC患者的31例轉移竈作(zuò)為(wèi)縱向數(shù)據集,這2名患者存活時(shí)間(jiān)極長。在疾病進展中,對2名患者P210和(hé)P45的轉移竈內(nèi)與竈間(jiān)不同的時(shí)間(jiān)部位進行(xíng)取樣(包括完全切除的原發腫瘤,同步及異時(shí)轉移竈),共36個(gè)樣本,并通(tōng)過全外顯子組測序、免疫組化(IHC)淋巴譜系标記物定量來(lái)進行(xíng)基因組和(hé)腫瘤微環境表征,用以評估轉移內(nèi)、轉移間(jiān)和(hé)患者間(jiān)的基因組和(hé)免疫異質性。

圖1:兩名患者的取樣分布 圖2:IHC全片數(shù)字掃描和(hé)标記物複合熒光成像

02、轉移進化圖譜證實CRC中的多(duō)種傳播途徑

實驗使用Parsimony Ratchet方法構建系譜樹(shù)。總體(tǐ)而言,與從解剖學上(shàng)分離的轉移相比,來(lái)自相同轉移位置的樣本在系統發育上(shàng)更接近并且共享更多(duō)突變。

圖3:基于原發和(hé)轉移樣本一緻突變的系譜樹(shù)

接下來(lái)根據編碼突變譜的相似性推斷出每個(gè)轉移的起源,父子關系由最高(gāo)的Jaccard相似系數(shù)定義。然後,從診斷時(shí)間(jiān)到最後一次随訪,用轉移竈進化系譜樹(shù)顯示轉移性傳播的途徑,每個(gè)樣本用圓圈表示,圓圈大(dà)小(xiǎo)表示腫瘤尺寸大(dà)小(xiǎo),外圈顔色為(wèi)切除位點,內(nèi)圈顔色表示免疫指數(shù)(HS和(hé)WS)。在患者P210中,腫瘤部位M10-b3是大(dà)體(tǐ)積轉移M10的組成部分,但(dàn)其起源不同于從相同轉移(M10-b1/-b2/-b4)取樣的其餘區(qū)域,表明(míng)M10是多(duō)步定植的結果。值得(de)注意的是,在兩名患者中,隻有(yǒu)一例同一時(shí)期轉移擴大(dà)為(wèi)轉移譜系:P210中的M6和(hé)P45中的M3,表明(míng)一些(xiē)轉移竈比其他轉移竈更具攻擊性。

圖4:轉移竈傳播樹(shù)形圖

盡管有(yǒu)線性進化模型的迹象,但(dàn)存在平行(xíng)進化的要素,例如原發和(hé)轉移性腫瘤之間(jiān)的高(gāo)水(shuǐ)平遺傳分化。此外,在轉移M6中觀察到TP53的平行(xíng)進化,其中在兩個(gè)不同的克隆中檢測到兩個(gè)突變的基因座(患者P210的持續型克隆1和(hé)消除型克隆12)。同時(shí),實驗觀察到在幾個(gè)轉移瘤中,獨特的腫瘤克隆正在進行(xíng)進化。 此外,患者P210在空(kōng)間(jiān)異質性M10樣品中存在不同的腫瘤克隆現象,這也證明(míng)了轉移竈內(nèi)克隆的異質性。

基因組印記變化方面,通(tōng)過将測序覆蓋度、拷貝數(shù)變異和(hé)腫瘤純度整合來(lái)估計(jì)給定體(tǐ)細胞突變的細胞流行(xíng)率,可(kě)計(jì)算(suàn)得(de)到12種不同的腫瘤克隆。其中,沒有(yǒu)檢測到原發病竈的主克隆,可(kě)能的原因是原發腫瘤的取樣有(yǒu)限,然而疾病進展期間(jiān)最持久的克隆可(kě)追溯到原發性腫瘤。

圖5:腫瘤克隆進化圖

對于這兩位患者而言,在随訪時(shí)間(jiān)線上(shàng)某一點發展的12種不同的腫瘤克隆超過克隆檢測阈值10%,具有(yǒu)相似克隆突變的轉移竈在解剖學上(shàng),時(shí)間(jiān)上(shàng)和(hé)系統發育上(shàng)密切相關。

圖6:腫瘤克隆超過檢測阈值的10%

03、進行(xíng)性轉移性CRC中的免疫微環境

為(wèi)了闡明(míng)免疫背景,實驗通(tōng)過單重IHC,多(duō)光譜成像和(hé)多(duō)重免疫基因表達來(lái)檢測腫瘤浸潤淋巴細胞。總體(tǐ)而言,P210和(hé)P45轉移竈的表型差異較大(dà)。

圖7:免疫細胞密度柱狀圖

04、不同的免疫狀态和(hé)免疫編輯不可(kě)描繪不同的逃逸機制(zhì)

單獨對每個(gè)轉移竈進行(xíng)免疫編輯評分,把觀察到的每個(gè)非同義突變作(zuò)為(wèi)預估的免疫原性突變比率,通(tōng)過繪制(zhì)免疫編輯評分(Yes/No)及相應的免疫評分值(Hi/Lo)定義四類轉移瘤:HiYes、HiNo、LoYes和(hé)LoNo。高(gāo)于預估的免疫原性突變率表明(míng)缺乏免疫編輯和(hé)免疫耐受(得(de)分>0.8,n=24)。

圖8:免疫編輯評分與免疫原性突變率

然而,54%具有(yǒu)高(gāo)免疫評分的轉移瘤是進行(xíng)過免疫編輯的。這一結果表明(míng),免疫浸潤是免疫編輯發生(shēng)的必要不充分條件,并且免疫編輯發生(shēng)在轉移期。此外,免疫編輯與各類T細胞表型(如細胞毒性,粘附,Th1,Tfh,CD8細胞,趨化因子CCL2,細胞因子和(hé)免疫檢查點等)均具有(yǒu)很(hěn)強的相關性。

在腫瘤浸潤淋巴細胞(TILs)存在下鑒定無免疫編輯的一組轉移竈揭示了腫瘤-外在逃逸的幾種機制(zhì)。在HiNo組(免疫編輯評分>0.8,免疫評分>60),CT和(hé)IM顯示了FOXP3+細胞和(hé)PD-L1+細胞的密度增加,通(tōng)過測量不同克隆型的數(shù)量來(lái)判斷較高(gāo)的TCR-a多(duō)樣性,表明(míng)該組中T細胞克隆擴增的缺失或不足。

圖9:免疫評分和(hé)免疫編輯揭示了不同的逃逸機制(zhì)

因此,免疫編輯的轉移竈具有(yǒu)高(gāo)免疫評分和(hé)T細胞與增殖的腫瘤細胞之間(jiān)短(duǎn)距的特點,而非免疫編輯轉移竈的FOXP3+T細胞密度增加,PD-L1表達增加,以及T細胞與PD-L1+細胞顯着接近。

05、免疫評分和(hé)免疫編輯對轉移性疾病進展的影(yǐng)響

為(wèi)了解腫瘤複發風險的特征,根據腫瘤克隆是否已經産生(shēng)子代轉移将腫瘤克隆分為(wèi)三組(持續型,消除型和(hé)早期非複發型)。

實驗通(tōng)過幾種基因組特征(包括Dn/Ds評分)比較了持續型和(hé)消除型腫瘤克隆,并且計(jì)算(suàn)了腫瘤克隆的免疫編輯評分。值得(de)注意的是,免疫編輯在消除型腫瘤克隆中更為(wèi)常見,而免疫編輯的缺失在持續型克隆中較為(wèi)普遍(隻有(yǒu)一個(gè)來(lái)自P45克隆2的持久型克隆具有(yǒu)免疫編輯,而這個(gè)克隆隻有(yǒu)一個(gè)位于ZDHHC11基因內(nèi)的免疫原性突變,其表達水(shuǐ)平可(kě)以忽略不計(jì))。

圖10:免疫編輯區(qū)分三型腫瘤克隆

實驗結果顯示,使用免疫選擇來(lái)區(qū)分持續型和(hé)消除型克隆優于Dn/Ds評分;來(lái)自相同轉移的不同克隆具有(yǒu)不同的免疫編輯評分,免疫編輯是腫瘤克隆複發較為(wèi)理(lǐ)想的預測因子(AUC = 0.89),并且若除去P45克隆2的影(yǐng)響因素,則更佳(AUC = 0.98)。在具有(yǒu)異時(shí)轉移的卵巢癌病例中觀察到類似的結果。

最後,研究人(rén)員檢驗了具有(yǒu)臨床相關性的參數(shù),對包括臨床、基因組、免疫和(hé)空(kōng)間(jiān)等22個(gè)參數(shù)進行(xíng)單元變量分析。免疫編輯和(hé)免疫指數(shù)是轉移複發的兩個(gè)有(yǒu)效的最佳預測因子。研究顯示,較低(dī)的免疫指數(shù),免疫編輯的缺失和(hé)較高(gāo)的轉移負荷對無複發存活率具有(yǒu)不利影(yǐng)響。

圖11:免疫編輯(左)和(hé)免疫評分(右)的單變量無複發生(shēng)存曲線

通(tōng)過将免疫編輯和(hé)免疫指數(shù)疊加在轉移竈傳播樹(shù)形圖上(shàng)來(lái)評估免疫系統與腫瘤随時(shí)間(jiān)傳播之間(jiān)的關系。這說明(míng)了轉移竈的局部控制(zhì)(較小(xiǎo)的尺寸)和(hé)免疫指數(shù)在預防複發中起到保護作(zuò)用。因此,轉移進展和(hé)複發時(shí)間(jiān)取決于機制(zhì)相關的免疫參數(shù)。

圖12:疊加免疫編輯和(hé)免疫指數(shù)的轉移竈傳播樹(shù)形圖

探究討(tǎo)論

該實驗通(tōng)過對特長生(shēng)存期(超過11年)以及相對大(dà)量的切除樣本的追蹤研究,揭示了免疫系統在轉移複發過程中所起到的作(zuò)用:

(1)每個(gè)轉移竈本身就是一種疾病,時(shí)間(jiān)及空(kōng)間(jiān)異質性的轉移竈,甚至是同一轉移竈內(nèi)都存在不同的臨床反應、基因組結構和(hé)免疫活性,因此轉移竈不能平均化處理(lǐ)。

(2)實驗通(tōng)過平行(xíng)選擇模型描述了轉移進化圖譜,用以追蹤腫瘤的多(duō)種傳播途徑。然而,當僅考慮基因組學特征時(shí),腫瘤克隆是否易于傳播不能很(hěn)好的得(de)到解釋。

(3)實驗在時(shí)間(jiān)和(hé)空(kōng)間(jiān)維度分析了與腫瘤克隆相關的免疫微環境,證實了非複發性克隆是受免疫編輯的,持續型和(hé)進展的腫瘤克隆具有(yǒu)免疫豁免性。這一發現首次揭示了克隆傳播和(hé)免疫監視(shì)之間(jiān)的關系,對治療有(yǒu)重要意義。靶向克隆新抗原可(kě)以通(tōng)過靶向保留免疫原性突變的、持久的、未經編輯的腫瘤克隆來(lái)預防複發。

(4)實驗雖然可(kě)以在疾病時(shí)間(jiān)表中檢測到有(yǒu)效的免疫激活和(hé)高(gāo)免疫,但(dàn)随着時(shí)間(jiān)的推移,免疫編輯的總體(tǐ)下降趨勢意味着腫瘤獲得(de)免疫逃逸。越來(lái)越多(duō)的證據表明(míng),在獲得(de)大(dà)量突變之前,染色體(tǐ)不穩定性可(kě)能是轉移的早期驅動,患者P45由此可(kě)見,這可(kě)能導緻新抗原的濃度稀釋和(hé)自身肽對抗原呈遞的競争優勢。在這種情況下,監視(shì)的免疫細胞募集将被沉默,免疫編輯也将無法檢測。此外,研究人(rén)員發現未經編輯的高(gāo)免疫浸潤轉移竈也具有(yǒu)高(gāo)倍性,分析可(kě)能的原因是腫瘤細胞已經充滿新抗原,染色體(tǐ)不穩定性在此之後。在産生(shēng)足夠強的新抗原信号後,免疫細胞可(kě)被募集,但(dàn)受到免疫抑制(zhì)的影(yǐng)響,導緻無法檢測到免疫編輯。實際上(shàng),在腫瘤浸潤淋巴細胞(TILs)存在下缺乏免疫編輯揭示了幾種逃避機制(zhì),包括增加免疫抑制(zhì)細胞的密度和(hé)從腫瘤細胞中分離免疫細胞。

(5)免疫指數(shù)、轉移竈大(dà)小(xiǎo)以及缺乏編輯是複發的獨立預後因素。實驗構建的轉移性癌症進展的預測模型,可(kě)以正确預測兩名患者的複發風險,也成功在另外獨立集上(shàng)得(de)到驗證。

上(shàng)述研究可(kě)為(wèi)了解癌症傳播和(hé)免疫治療的發展提供有(yǒu)效依據。 參考文獻:
[1] Jérôme Galon, Mihaela Angelova, et al. Evolution of Metastases in Space and Time under Immune Selection[J]. Cell, 2018,VOLUME 175, ISSUE 3, P751-765.E16
[2] Sci Transl Med. 2016年2月25日在線版 Oncoimmunology. 2015年6月9日在線版