肿瘤免疫表型的深层分析

1.肿瘤免疫表型的起源

肿瘤的现代治疗起源于西方，可以从18世纪算起。肿瘤治疗的历史可以追溯到中国的宋朝。对癌症最早的描述是《仁斋直指附录论》一书，其中“癌症患者上下深，呈穴状，毒根深藏，穴深贯”，意思是肿瘤如磐石，毒根深藏体内。从这句话可以看出，当时对肿瘤的外观描述与现在的肿瘤基本相似。人类与肿瘤的斗争已经持续了几千年，却没有取得重大进展。这是因为以前对肿瘤的研究大多集中在肿瘤细胞本身，被称为肿瘤生物学的范畴；随着医疗和科研的进步，人们认识到肿瘤具有很大的异质性，尤其是在患者之间，肿瘤细胞可以在周围环境发生变化后发生进化，因此很难对肿瘤细胞本身进行研究。所以，直到20世纪，人们才开始意识到，为了战胜肿瘤，我们需要一个更强大的武器，那就是人体自身的免疫系统。这种科研方向也促进了肿瘤免疫学这一热门研究领域的发展。

起初，利用人体免疫系统杀死肿瘤的方式并不被看好，一方面是因为利用免疫系统治疗肿瘤的方式不如手术和化疗立竿见影；另一方面，科学家们起初对复杂的人类免疫系统并没有透彻的了解。随着对免疫系统的研究越来越深入，肿瘤免疫治疗在近二十年来逐渐被世人所接受，而最轰动的是2018年诺贝尔医学奖颁给了两位研究肿瘤免疫治疗的学者:Allison和Honjo。他们分别揭示了免疫检查点CTLA-4和PD-1在肿瘤中的作用，从而为免疫治疗药物的临床应用奠定了基础。

免疫checkpoint抑制剂在很多肿瘤上取得了很好的疗效，本该是一个理想的结局。然而故事并没有那么简单，肿瘤的免疫治疗之路才刚刚开始。随着免疫检查点抑制剂在各种肿瘤的大规模临床试验中的应用，问题变得越来越突出，即尽管一些肿瘤患者对免疫检查点抑制剂有很好的反应，但在许多其他肿瘤患者中，免疫检查点抑制剂根本没有作用。同样的抗体，为什么会有这样完全不同的结果？科学家开始研究这种现象的原因。

图1:

考虑到免疫检查点抑制剂主要是动员自身免疫细胞攻击肿瘤，很容易想到患者是否会因为免疫细胞的功能状态不同而对免疫治疗药物产生不同的反应。方向是有的，但似乎离科学家想要的解释还有一段距离。这是因为如果从全身的免疫系统出发，问题会更加复杂，不够直接，直到提出免疫微环境，这个问题才会得到更好的解决。研究人员在分析了各种肿瘤的肿瘤微环境后发现，每个肿瘤内，甚至每个患者的肿瘤内，免疫细胞的浸润都存在差异，于是有研究人员根据免疫细胞浸润的特点，将肿瘤大致分为“冷”肿瘤和“热”肿瘤。前者浸润性免疫细胞较少，免疫抑制细胞较多(Treg，MDSC)，对免疫治疗反应较弱。后一种肿瘤浸润了更多活化的免疫细胞(CD8+T，Th1)，可以对免疫治疗药物产生更好的反应。

2.肿瘤免疫分型的分子机制

“冷”和“热”肿瘤的概念是肿瘤免疫表型的雏形，而要想进一步了解免疫表型，人们迫切需要知道是什么原因导致不同患者之间的肿瘤免疫微环境存在如此大的差异。

众所周知，人体免疫系统是一个整体，它包括胸腺、骨髓、淋巴结和脾脏等。，是各种免疫细胞驻扎的地方，需要淋巴管和血管将免疫细胞运送到局部组织。肿瘤内淋巴管少，但血管丰富。是肿瘤血管内容物造成免疫细胞浸润的差异吗？答案是否定的，因为血管丰富的肿瘤会浸润更多的抑制性免疫细胞，促进肿瘤的生长。故事讲到这里，我们需要一些免疫学知识来支撑。免疫细胞的定向迁移不仅受血管和淋巴管的影响，还需要一类重要的免疫分子:趋化因子和趋化因子受体。如果把血管比作道路，趋化因子就是信号灯，它控制着各种免疫细胞的方向。

图2:

科学家通过研究发现，正是肿瘤中趋化因子和趋化因子受体的种类和含量不同，造成了不同患者免疫细胞肿瘤浸润的巨大差异。一些肿瘤细胞因此利用免疫系统的这一特性，释放促进抑制性免疫细胞浸润的趋化因子，并高度表达相应的趋化因子受体，吸引抑制性免疫细胞浸润，有利于自身生长。

第二章:肿瘤免疫表型的综合揭示。

1.提出肿瘤的三种免疫表型。

肿瘤免疫分型的概念已经提出，但科研不是哲学，光有想法是不够的。研究人员需要用数据说话。肿瘤浸润性免疫细胞虽多，但大致可分为两类:一类是能杀伤肿瘤的免疫细胞，如NK、NKT、CD8+ T细胞；另一类是能抑制免疫细胞杀伤肿瘤的细胞，如treg、Th1、TH2、M1、M2；这些免疫细胞最重要的功能是T细胞，因为无论何种形式的免疫细胞调节网络，最终都需要T细胞，而目前各种免疫检查点抑制剂主要作用于T细胞发挥抗肿瘤作用，因此揭示肿瘤浸润T细胞的功能最为重要。

图3:

关于肿瘤免疫表型的研究很多，其中被研究者广泛认可的有三种免疫表型:免疫浸润型、免疫排斥型和免疫沙漠型。在对肿瘤组织进行免疫组织化学染色后，研究人员发现这三种类型之间存在显著差异。在“免疫侵袭性”肿瘤中，CD8+T细胞可以渗透到肿瘤中。在“免疫排斥”肿瘤中，虽然有高度的CD8+T细胞浸润，但它们都集中在肿瘤的外围；然而，在“免疫沙漠”肿瘤中几乎没有CD8+T细胞的浸润。

图4:

进一步的研究发现，MHCI分子在“免疫侵袭性”肿瘤中的表达较高，而MHCI分子在其他两种类型的肿瘤中的表达明显较低。此外，细胞表面糖蛋白丝氨酸蛋白酶(FAP)在“免疫排斥”肿瘤的外围高度表达。这种基因主要负责塑造细胞外基质，可以调节肿瘤周围厚基质的形成，从而阻断免疫细胞的浸润。

2.肿瘤免疫表型定量

三大肿瘤免疫表型为研究者提供了更确切的证据，但同时也导致了一个问题，即对于很多患者来说，确诊时肿瘤已经处于晚期；此外，如果对每个患者进行切片，通过免疫组织化学染色对肿瘤进行分类是不实际的。因此，研究人员在一个大型卵巢肿瘤队列中结合了数字病理学和转录组数据分析，并开发了一种机器学习方法来揭示分子分类和描述肿瘤免疫表型。通过使用随机森林的算法，研究人员开发了基于157个特征基因的分类器，并根据这些基因的表达情况对具有肿瘤免疫特征的患者进行分类。

图5:

3.影响肿瘤免疫分型的分子机制。

“免疫浸润型”肿瘤细胞表达较高水平的MHCI分子和较低水平的FAP基因；然而，MHCI分子的“免疫排斥”肿瘤细胞明显减少，但FAP基因高度表达。那么这两种机制是什么关系呢？哪一个是导致不同肿瘤免疫特征的初始因素？通过分析这两种途径的上游和下游调节机制，研究人员发现MHCI分子和FAP都受一种重要的免疫分子调节，即TGFβ。原来肿瘤细胞可以在肿瘤抑制免疫细胞(Treg，M2)的帮助下产生TGFβ，以逃避T细胞的攻击。一方面，后者能与肿瘤细胞上的受体结合，下调MHCI分子；一方面，它可以与成纤维细胞上的受体结合，上调FAP的表达，从而产生胶原蛋白，在肿瘤周围形成厚厚的基质层，击退杀伤免疫细胞的浸润。

图6:

第三章:肿瘤免疫分型的应用。

说完了肿瘤免疫分型的基础知识，接下来我就来介绍一些最近关于肿瘤免疫分型的高分文章，希望能得到引起人们进一步思考的效果。

1: M6 a分子在调节肿瘤免疫分型中的应用

近年来，肿瘤m6A修饰的调控机制也是研究的热点方向。热点碰撞会产生什么样的化学反应？首先，介绍一篇发表在《分子癌症》( IF:27.4)上的文章，题目是:气态癌中过滤表征中M6调节因子介导的方法修饰模式和肿瘤微环境。

图7:

在开始讲解m6A与肿瘤免疫表型的联合分析之前，我先介绍一下m6A的一些背景知识。本文首先鉴定了21个m6A调控因子，其中包括8个书写者、2个擦除者和11个阅读者。图7介绍了这些分子的细胞分布和基本功能。简单来说，m6A是RNA的可逆修饰，由写者修改，读者阅读，完成特定任务后由橡皮擦删除。

图8:

下面开始讲解这篇文章的主要内容。作者首先根据m6A调节因子的表达情况对患者进行分类，然后发现这种分类与肿瘤免疫表型有很高的相似性。为此，作者研究了m6A修饰与免疫表型的关系。最后发现“免疫浸润型”、“免疫排斥型”和“免疫沙漠型”患者之间，M6特征基因计算出的m6Ascore评分存在明显差异(图8A)。随后，在抗PD-L1队列(IMvigor210)和抗PD-1队列(GSE78220)中，低m6Ascore患者具有显著的临床疗效(图8B)，并显著延长了生存率。此外，在低m6Ascore患者中PD-L1的高表达表明在针对PD-1/L1的免疫治疗中存在潜在的反应。

总之，基于21 m6A调控因子，本研究区分了三种不同的m6A甲基化修饰模式，它们具有明显不同的TME细胞浸润特性。此外，不同m6A修饰模式之间mRNA转录组的差异与m6A和免疫相关的生物学途径显著相关。作者建立了m6A评分系统来评估每个胃癌患者的m6A修饰模式，这对预测免疫治疗的结果具有重要价值。

应用2:单细胞测序揭示卵巢癌的免疫特征

单细胞测序是近年来的一项革命性技术，它使研究人员能够在单细胞水平上研究各种细胞功能机制。同样，作为近年来高分文章中的常用技术，单细胞测序会透露出关于肿瘤免疫分型的怎样的惊喜？我来介绍一篇发表在《癌细胞》杂志上的文章(IF:31.7)。这篇文章的标题是:细胞成分的单细胞分裂和相互作用塑造卵巢癌的肿瘤免疫表型。

图9:

本研究首先对15例卵巢癌患者的肿瘤样本进行scRNA-seq(图9A)，根据已知细胞类型的标志物进行细胞类型的界定。结果显示，不同免疫表型患者的肿瘤细胞整体差异较大，相同免疫表型的肿瘤细胞可聚在一起，不同免疫表型的肿瘤细胞差异较大(图9b)；此外，尽管基质细胞(图9C)和免疫细胞(图9D)的类型在患者之间的转录水平上没有不同，但它们的相对分布有很大不同，并且与肿瘤的免疫表型没有明显的相关性。

本文进一步研究肿瘤的内在特性是否影响免疫浸润模式。结果显示，排斥和侵袭性肿瘤之间的肿瘤细胞的转录没有显著差异，但排斥和侵袭性肿瘤的组合与荒漠肿瘤之间的29个基因的表达有显著差异。对于这个结论，我觉得排斥和浸润应该有很大的区别，但是单细胞测序需要制备单细胞悬液，可能会破坏这个结构。因此，用单细胞空间转录组进一步分析这两种免疫表型下肿瘤细胞的功能，尤其是揭示免疫排斥型最外层基质细胞层的特征，将对此类患者的治疗提供更直接的参考价值。

基因集合的富集分析表明，这些基因主要与增殖途径相关，它们的识别由三种具有增殖分子亚型的沙漠肿瘤驱动。另一方面，浸润和排斥肿瘤细胞在干扰素反应途径中显著富集，这主要由编码主要组织相容性复合体(MHC)I类和II类的加工和呈递的基因驱动。此外，还观察到氧化磷酸化途径在浸润和排斥肿瘤细胞中显著富集。

图10:

最后，为了总结这些观察结果，作者总结了一个模型，在这个模型中，肿瘤、免疫和间质之间不同的成分和潜在的串扰可能形成不同的肿瘤免疫表型(图10)。在模型中，TME具有免疫功能的肿瘤(包括侵袭性肿瘤和排斥性肿瘤)与沙漠肿瘤有许多相似之处。表达CX3CR1配体的内皮细胞和周细胞也可能参与侵袭性和排斥性肿瘤中肿瘤相关巨噬细胞的募集。侵袭性肿瘤和排斥性肿瘤之间也有重要的区别。在T细胞浸润性肿瘤中，浸润程度可能受两个因素影响:浸润性肿瘤细胞高表达CXCL16，这可能与CXCR6+T细胞募集到肿瘤上皮有关；此外，IL1 CAFs在侵袭性肿瘤中含量丰富，可能通过CXCL12/ 14促进CXCR4的表达，从而进一步募集T细胞。

本研究通过对15例临床卵巢癌患者的单细胞RNA测序，深入分析了TME不同细胞、功能表型及其动态相互作用，丰富了肿瘤免疫表型的特点。本文的结果强调了可能形成肿瘤免疫表型的潜在分子机制，并可能为提高癌症免疫治疗的临床效益提供治疗策略。

总结与展望

近年来，探索肿瘤免疫分型的机制是临床研究和基础科学研究的热点，其产生的研究成果也非常有利于临床肿瘤免疫治疗药物的转化。

本文系统梳理了肿瘤免疫表型的起源、发展和应用，但只是窥一斑而知全豹，还有很多细节需要大家补充。我在做肿瘤免疫的基础研究。这几年我从内心意识到，单纯做经典的基因功能调控机制，很难打出高分文章。只有从具有潜在临床应用价值的研究成果入手，我才能在当今的科研浪潮中拔得头筹，肿瘤免疫分型的研究符合科研人员的想象。

当然，如果你不想发高分文章，只想写几篇SCI，那么做一些简单的肿瘤免疫分型也是最好的选择。但从2021发表的文章中可以看出，我们很难看到只分析肿瘤生物学特性的文章，近90%的关于肿瘤出生信息的思路的文章，或多或少会结合免疫特性进行分析。如果你之前还没有意识到这个问题，那么看完这篇文章，你应该去研究肿瘤免疫表型，相信不久的将来可以发表一篇好的与肿瘤免疫表型相关的SCI论文。

[参考文献]

肿瘤微环境中的趋化因子及其在肿瘤免疫治疗中的相关性。国家免疫修订版2017年9月；17(9):559-572.doi:10.1038/nri . 2017.49。epub 2017 5月30日。

综合数字病理学和转录组分析鉴定卵巢癌T细胞排斥的分子介质。2020年11月4日全国社区；11(1):5583.doi:10.1038/s 41467-020-19408-2。

张B，吴Q，李B，王D，王L，周。胃癌中m6A调节子介导的甲基化修饰模式和肿瘤微环境浸润特征。mol cancer . 2020 Mar 12；19(1):53.doi:10.1186/s 12943-020-01170-0。

卵巢癌中形成肿瘤免疫表型的细胞成分和相互作用的单细胞解剖。癌细胞. 2021 04月27日:s 1535-6108(21)00212-9。doi:10.1016/j . ccell . 2021.04 . 004。

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