Nature Cancer | T细胞与树突状细胞的相互作用是肿瘤微环境及免疫治疗的关键

原创 苏安 图灵基因 2022-03-30 07:03

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：苏安

IF：60.716

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亮点：

虽然T细胞在免疫系统中具有关键的调控作用和治疗效力，但在肿瘤微环境中，T细胞和抗原提呈的髓系细胞之间相互作用的分子特征仍不明确。在这里，作者利用细胞的RNA测序(PIC-seq)系统地描述了这些相互作用，并发现CD4+PD-1+CXCL13+T细胞是人非小细胞肺癌肿瘤微环境中与抗原提呈细胞的主要相互作用枢纽。他们将这种克隆扩增、肿瘤特异性和保守的T细胞亚群定义为T辅助性肿瘤(Tht)细胞，它们的功能对于利用抗PD-1治疗的抗肿瘤反应非常重要，这些研究结果提示我们可以通过对Tht-树突状细胞相互作用检查点的调节来进行免疫治疗。

肿瘤微环境(TME)是一个复杂的生态系统，癌症、免疫和间质细胞的相互作用都能影响肿瘤免疫和肿瘤生长。免疫检查点封锁(ICB)疗法是通过调节细胞内信号通信的方式增强抗肿瘤效果。因此，更好地理解TME内的细胞通信对于增强现有的治疗方法和开发更有效的免疫治疗靶向方案至关重要。

近期，在Nature Cancer 杂志上发表了一篇名为“The interaction of CD4+ helper T cells with dendritic cells shapes the tumor microenvironment and immune checkpoint blockade response”的文章，本文的研究人员通过单细胞测序技术对人非小细胞肺癌进行分析，详细描述了CD4+辅助T细胞与树突状细胞的相互作用，并且作者在体外和卵清蛋白特异性αβTCRCD4+T-t细胞模型中重建了它们的相互作用，发现了Tht程序由呈现肿瘤抗原的树突状细胞在肿瘤淋巴结中启动，这些功能对于利用抗PD-1治疗的抗肿瘤反应非常重要。

为了表征和分子分析TME中髓系细胞和T细胞之间的物理相互作用，作者将PIC-seq技术应用于早期非小细胞肺癌(NSCLC)病变的临床样本进行分析。他们分析了10例患者通过手术切除的早期未接受治疗的NSCLC病变，并将肿瘤参与的病变与邻近的无肿瘤组织进行了比较，使用MetaCell创建了TME和健康组织中单细胞状态的背景模型。根据基因表达将T细胞进行分类：迁移T细胞，幼稚T细胞，增殖T细胞，CD4+激活T细胞，CD4+记忆T细胞，CD8+T细胞，CD8+细胞毒性T和CD8+功能失调T细胞。他们同样根据VCAN或CD31基因将骨髓细胞分为单核细胞的两个子集，并且将其他髓系亚群分类为四组树突状细胞：表达DC的单核细胞基因、经典DCI型树突状细胞、经典DCII型细胞和富含免疫调节分子的成熟树突状细胞。作者发现肿瘤组织和邻近无肿瘤组织之间的细胞组成存在一致的差异，他们计算了每个标本的TME与健康细胞状态的比率，并量化了子集丰度之间的相关性。结果与之前对NSCLC病变的的单细胞分析一致，因此这个结果可以作为研究TME中定义细胞相互作用的分子程序的基线。图1.PIC-seq在NSCLC患者活检的肿瘤和邻近健康组织上的分析。

由于其PIC-seq反褶积的低特异性，他们去除了T-NK细胞的PICs，分析了具有异型基因表达的CD64+CD11c+TCRβ+PICs的偶联物，量化了人类肿瘤和健康肺组织分离后形成的真实和假双态的频率。随后作者通过对839个qc阳性pic的T细胞和髓系细胞特性进行推断，对其进行了总体建模。结果表明，与邻近组织相比，肿瘤组织中T-髓系pic中的mregDC频率(P=0.043)显著富集，同时cDC1(P=0.0079)减少。PICs中的mregDC注释是基于单态中识别的独特基因转录本的表达。有趣的是，在对患者进行分层时，也观察到mregDC在pic中的过度表达(配对Mann-WhitneyU-检验；P=0.039)。综上所述，通过研究细胞相互作用，他们确定了CD4+PD-1+CXCL13+T细胞和mregdc，两种状态在TME中比健康对照富集，并在TME中特别参与T髓细胞相互作用，表明它们潜在的TME交互能力和功能。图2.PIC-seq揭示了T细胞和髓系细胞亚群的相互作用

为了研究CD4+PD-1+CXCL13+T细胞在TME中的基因表达和具体的相互作用，作者使用来自25名黑色素瘤患者和42例乳腺癌患者的scRNA-seq数据集，对不同肿瘤类型的T细胞状态进行了注释，并确定了与在NSCLC中相似的亚群，获得了一个泛肿瘤特征，即CD4+PD-1+CXCL13+细胞表达趋化因子和细胞因子(CXCL13、IL21、IFNG和CCL3)、标志性免疫检查点(BTLA、PDCD1、TIGIT和CTLA4)和转录因子基因(MAF、HIF1A和ZBED2)，作者将该程序注释为T辅助性肿瘤特异性(Tht)细胞。为了更深入地了解PICs中Tht细胞的分子特征，他们对来自PIC-seq模型的观察表达和预期表达进行了差异基因表达分析，结果发现，与单线态Tht细胞相比，主要的细胞因子和趋化因子(CXCL13、CCL4和CCL5)、免疫检查点基因(CTLA4和PDCA4和PDCD1)和转录因子(MAF)在相互作用的Tht细胞中特异性上调，这表明相互作用的髓系细胞具有独特的Tht-cell特征。为了研究Tht细胞与TMETLS生态位中其他髓系和淋巴细胞亚群的空间关联，作者对NSCLC患者的福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)切片的单片(MICSSS)进行了多重免疫组化连续染色。研究结果表明，克隆扩增的CD4+PD-1+CXCL13+Tht细胞在肿瘤病变的TLSs中与mregDCs的物理相互作用中富集，表明Tht细胞具有抗肿瘤抗原的作用。图3.CD4+PD-1+CXCL13+T细胞在TME中具有独特的基因表达和交互作用谱

为了探索诱导肿瘤特异性CD4+T细胞对肿瘤抗原呈递反应的机制，作者构建了一个由识别OVA肽的小鼠卵清蛋白(OVA)特异性αβTCRCD4+T细胞(OT-II)组成的模型。他们从C57BL/6野生型(WT)小鼠中分离脾CD11c+树突状细胞，并与表达OVA肽(B16-OVA)的mCherry-B16黑色素瘤细胞共培养2小时，然后与脾OT-IICD4+T细胞共培养20小时。将B16-OVA细胞与脾OT-IICD4+T细胞部分共培养，并将脾OT-IICD4+T细胞单培养作为对照。他们对从培养物中分离出来的1860个阳性的单个TCRβ+T细胞进行了MARS-seq检测，基因相关分析显示两个高度相关的基因模块丰富的基因相关的免疫激活和共同刺激；同时他们分析了抗原呈递后的免疫条件下，从B16-OVA+DC培养中分离的OT-IIT细胞的转录状态与预先暴露于脂多糖(LPS)的ova呈递共培养的转录状态。他们发现，lps激活的OT-IIT细胞的抗原呈递诱导了一般免疫激活基因。然而，只有肿瘤特异性的OT-IIT细胞表达了共刺激和激活基因模块。体外数据表明，肿瘤特异性CD4+t细胞基因模块在与肿瘤抗原引物的树突状细胞相互作用时，以抗原特异性的方式被驱动。图4.分化为小鼠Tht细胞状态需要树突状细胞呈递肿瘤抗原

为了更好地了解mTht细胞在体内的时空分化动态，作者利用小鼠模型，将B16-OVA细胞移植到WTC57BL/6J受体中。在肿瘤注射后10天和17天，对从肿瘤引流淋巴结(tdLNs)和颈部周围淋巴结(cLNs)中分离的12154个阳性单TCRβ+T细胞进行MARS-seq检测，结果发现，抗原特异性的CD45.1+TCRβ+OT-IIT细胞上调了从体外研究中衍生的mTht细胞特征、tdLNCD45.1+TCRβ+OT-IIT细胞上调了T细胞激活特征、体内mTht细胞特征与幼稚t细胞基因的表达减少相关，并与细胞周期基因的表达相关。接下来，作者探讨了mTht细胞的细胞动力学及其从tdln向TME迁移的可能性。他们收集并分析了内源性TCRβ+T细胞，并在第10和17天从TME过继转移OT-IICD45.1+TCRβ+T细胞，以及在肿瘤注射后第10天从tdLNs和clns的细胞。结果表明，与肿瘤浸润的T细胞上调mtht相关的激活程序。图5.向mTht细胞状态的分化仅限于tdln和肿瘤部位

接来下，作者研究了mTht细胞的状态是否基于tdln中的髓系细胞的物理相互作用和抗原提呈。在注射后第10天，当mTht细胞在tdln中积累时，我们从tdLNs和cln中分离3406个qc阳性cD11c+髓系细胞进行MARS-seq，并使用MetaCell包对它们进行分析。他们另外分析了单TCRβ+和CD45.1+TCRβ+T细胞细胞和+，分组元细胞到幼稚T，增殖T，旁观者CD8+T，细胞毒性CD8+T，OT-IImTht−和OT-IImTht+细胞子集。为了更好地定义抗PD-1治疗后mTht细胞的分子重编程，作者对肿瘤注射后17天内来自过继转移小鼠tdln的2867个多克隆TCRβ+和OT-IICD45.1+TCRβ+T细胞进行了MARS-seq。所有的这些结果表明，Tht细胞直接参与了抗pd-1治疗的抗肿瘤疗效，并突出了mTht细胞在抗pd-1治疗后的分子重编程。图6.mTht细胞在抗pd-1免疫治疗中的作用

本文作者利用细胞的RNA测序(PIC-seq)系统地描述了CD4+T细胞与树突细胞的相互作用对肿瘤微环境的影响，并发现CD4+PD-1+CXCL13+T细胞是人非小细胞肺癌肿瘤微环境中与抗原提呈细胞的主要相互作用枢纽。并且作者通过体外模型验证了这个相互作用中枢的功能对于利用抗PD-1治疗的抗肿瘤反应非常重要，这些研究结果提示我们可以通过对Tht-树突状细胞相互作用检查点的调节来进行免疫治疗。

教授介绍：

Merav Cohen 

Merav Cohen是以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所免疫学系研究员，同时是以色列特拉维夫大学助理教授。科恩博士实验室专注于解剖肿瘤微环境中免疫细胞和组织驻留细胞之间的细胞间通讯。科恩博士实验室结合了最先进的单细胞RNA测序技术、小鼠模型、临床方法和先进的计算方法，以揭示驱动细胞功能的相互作用细胞的分子特征。该实验室旨在评估组织发育过程和癌症条件之间相互作用组分子特征的相似性和差异，以确定针对细胞间串扰的新免疫治疗靶点。

参考文献：

Merav Cohen, Amir Giladi et al. The interaction of CD4+ helper T cells withdendritic cells shapes the tumor microenvironment and immune checkpointblockade response [J]. Nature Cancer . 2022.Mar 10:303–317.