单细胞分析揭示鼻咽癌微环境中免疫逃逸的多种模式

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主要发现

鼻咽癌免疫逃逸的三种模式

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  1. 部分肿瘤细胞降低MHC表达。

肿瘤细胞的主要组织相容性复合体(MHC)Ⅰ类分子表达降低是一个重要的免疫逃逸机制。MHCⅠ类分子的主要功能是提呈细胞内的抗原肽给CD8+细胞毒性T淋巴细胞(CTLs或称为杀伤性T细胞),这一过程是免疫系统识别并清除体内异常或感染细胞的关键步骤。
当肿瘤细胞的MHCⅠ类分子表达减少或缺失时,会发生以下情况:

  • 抗原提呈障碍:肿瘤细胞内部的变异或异常蛋白(肿瘤抗原)无法有效地与MHCⅠ类分子结合并转运至细胞表面,导致这些抗原无法被免疫系统正确识别。
  • 免疫监视失效:由于MHC-抗原复合体的减少,CD8+ T细胞无法识别到这些肿瘤细胞表面上的“危险信号”,从而无法启动针对肿瘤细胞的免疫应答。这相当于肿瘤细胞穿上了一件“隐形衣”,躲避免疫系统的监视和清除。
  • 免疫逃逸成功:最终,这种机制使得肿瘤细胞能够逃脱机体的免疫监控和杀伤效应,促进了肿瘤的生长、扩散和耐药性的形成。
  1. EMT

作者通过infercnv发现一类fibroblast细胞其与上皮恶性细胞有类似的CNV,所以判断它为"fibroblast-like malignant cell" 即“纤维母细胞样恶性细胞”。这意味着该细胞具有类似于正常纤维母细胞的形态特征,但其性质为恶性,表明它属于癌细胞或肿瘤细胞的一部分,可能参与癌症的进展或转移。
而且与非恶性fibroblast细胞,这类细胞EMT分数增加,MHC分数下降。

  1. 细胞屏障隔离肿瘤细胞

肿瘤巢(nest)利用增生的上皮细胞在物理上减少免疫细胞的浸润,间接增强了肿瘤巢内肿瘤细胞的免疫逃逸能力。IMC成像显示,在鼻咽癌(NPC)的肿瘤微环境中存在非恶性的增生上皮细胞,而免疫细胞很难穿透由这些细胞构成的细胞层。此外,我们观察到,只有当增生上皮细胞紧邻非肿瘤区域时,它们才显示出增殖增加的现象,这一点通过增殖相关标志物Ki67+的表达得以指示。这意味着增生区域无法维持与肿瘤巢边界的稳定,只能朝着非肿瘤区域方向增殖,使自己成为了肿瘤巢扩展的先驱者和帮凶。肿瘤巢能够侵入无免疫细胞浸润的增生区域。

CD8+ NK cells

作者首次在鼻咽癌中发现CD8+ NK cells,而在其他疾病中其与EBV感染有关,通过CD8+ NK cells vs CD8- NK cells差异和富集分析验证了这一假设。

细胞注释marker

CellType Description Marker
BCells CD79A,CD79B
ECs endothelial cells FLT1,VWF
EpithelialCells KRTs
fibroblasts COL1A1
mast cells TPSAB1
myeloid cells LYZ
NK/T cells CD3D,CD3E,GNLY
pDC plasmacytoid dendritic cells IL3RA
Plasma plasma B cells CD79A,CD79B,MS4A1–,IGs

Ki67+:上皮细胞增殖。

MHC-: 免疫逃逸。

IGKC, IGHG4, IGLC2, IGHA1 and IGHG3等免疫球蛋白基因+:促癌,免疫逃逸。

KRT5(角蛋白5): KRT5基因主要在复层上皮的基底层细胞中表达,如皮肤、口腔、食道和一些多层上皮化的器官中。它与KRT14共同形成异二聚体,构成细胞骨架的一部分,为细胞提供机械稳定性。KRT5的表达常用于标记基底细胞,特别是在皮肤和上皮组织的研究中,它是一个重要的诊断标记,可用于识别特定的上皮细胞类型或是了解上皮组织的分化状态。

KRT19(角蛋白19): KRT19基因的表达则更为广泛,尤其在简单的上皮组织中,如乳腺、胃肠上皮、胰腺导管和肺泡上皮细胞。KRT19常与其他类型的角蛋白一起表达,参与构成细胞骨架。它的一个显著特点是,在多种类型的肿瘤中表达水平升高,尤其是乳腺癌、肺癌和肝癌等,因此KRT19常被用作肿瘤标志物,用于肿瘤的诊断和预后判断,尤其是在监测循环肿瘤细胞(CTCs)和评价治疗效果方面。
CAPS, RSPH1:cilia上皮细胞纤毛,本研究中正常样本的上皮细胞纤毛正常,鼻咽癌上皮细胞纤毛缺失。

纤毛缺失:在某些类型的癌症中,上皮细胞的纤毛可能会减少或完全缺失。这种现象可能与癌症的发展和进展有关,因为纤毛不仅参与细胞信号传导,还与细胞周期调控紧密相关。纤毛的缺失可能意味着细胞失去了对生长信号的正常响应,从而促进了不受控制的增殖——这是癌症的一个关键特征。此外,如前所述,特定蛋白质(如HEF1、Aurora A和HDAC6)的异常表达可控制纤毛的暂时性消失,这与癌症恶化和转移有关。

CD20: 作者发现了一类T细胞表达B细胞marker CD20,排除双细胞可能后命名为T/B细胞,与促炎有关。CD20是一种非常重要的B细胞标记物。它是一种跨膜蛋白,主要表达于B淋巴细胞的表面,从前B细胞阶段开始,一直到成熟的B细胞,但在终末分化的浆细胞中表达减少或缺失。CD20不参与抗体的产生,但它在调节B细胞的增殖、分化和激活中扮演着角色。由于CD20几乎专门在B细胞中表达,且在多种B细胞恶性肿瘤中保持表达,如弥漫性大B细胞淋巴瘤、滤泡性淋巴瘤等,它成为了这类血液肿瘤免疫治疗的重要靶标。CD20单克隆抗体,如利妥昔单抗(Rituximab,商品名美罗华),已被广泛用于治疗这些B细胞淋巴瘤,通过与CD20结合诱导肿瘤细胞的凋亡或通过免疫介导的细胞毒作用清除肿瘤细胞。因此,CD20不仅是B细胞的一个标志性分子,也是肿瘤免疫治疗中的一个关键靶点。

数据分析方法

  • 对于鼻咽癌,scRNA不能捕捉到数量上可以用的上皮细胞和成纤维细胞,snRNA可以
  • 按照单个样本进行细胞注释
  • 分析infercnv时,scRNA和snRNA分开做,选择相应的非肿瘤患者的样本

新技术

空间单细胞蛋白成像技术,可以测几十甚至上百种蛋白表达水平,
Imaging Mass Cytometry(IMC)是一种尖端的单细胞分析技术,它结合了质谱分析的高特异性和高灵敏度与成像技术的空间分辨率,能够在组织水平上实现多参数、高维度的蛋白质表达分析。这项技术是传统流式细胞术的一个重要拓展,特别适合于研究复杂组织微环境中的细胞组成、相互作用及其功能状态。
IMC的基本原理如下:

  1. 多色标记:与传统流式细胞术使用荧光标记不同,IMC采用稳定同位素标记的金属离子作为抗体的标签。每种特定的抗体与一种独特的金属标签相结合,这样就可以标记并区分多种细胞内或细胞表面的蛋白质,理论上可以标记几十甚至上百种不同的分子。
  2. 组织处理:首先将组织样本切成薄片,然后使用这些标记的金属抗体对样本进行孵育,使得特定的蛋白质被特异性地标记上金属离子。
  3. 激光消融与质谱分析:接下来,采用激光将组织切片局部消融,产生含有标记金属离子的气溶胶粒子,这些粒子随后被引入到电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)中。ICP-MS能够准确测量每个粒子中的金属离子种类和数量,从而反映相应蛋白质的表达水平。
  4. 数据分析与成像:收集到的数据经过复杂的分析处理,可以重构出组织切片中每种标记蛋白的空间分布图,形成高维度的图像数据。这些图像不仅展示蛋白质的表达强度,还能保持组织的原有结构和细胞间的位置关系,为研究人员提供了深入理解组织和疾病状态的宝贵信息。

IMC技术的优势在于其超高的多参数检测能力、出色的定量性能以及保留了组织的原位信息,这些特点使其在肿瘤微环境研究、免疫学、神经科学、病理学等领域展现出巨大的应用潜力,特别是在理解细胞异质性、疾病发展机制和治疗响应评估方面。自2014年首次介绍以来,IMC技术迅速发展,已成为推动精准医学和转化研究的重要工具。


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EGI:肿瘤内部免疫浸润很少
FH:增生的上皮细胞仅在靠近非肿瘤巢nest区域时才表现为Ki67阳性

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