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人类结直肠癌中空间组织的多细胞免疫中心

2021-09-05 阅读(70)

对癌症的免疫反应是高度可变的,错配修复缺陷(MMRd)的肿瘤比错配修复有效(MMRp)的肿瘤表现出更多的抗肿瘤免疫力。为了了解这些不同反应的规则,我们对28名MMRp和34名MMRd个体的结直肠肿瘤和邻近正常组织的371,223个细胞进行了转录分析。对88个细胞亚群及其204个相关基因表达程序的分析显示,整个肿瘤有广泛的转录和空间重塑。为了发现相互作用的恶性细胞和免疫细胞的枢纽,我们确定了不同细胞类型的表达程序,这些程序在受影响个体的肿瘤中共同变化,并使用空间分析来定位协调程序。我们发现在与组织损伤相关的肿瘤-管腔界面上有一个吸引骨髓细胞的中心,在肿瘤内有一个富含MMRd的免疫中心,激活的T细胞与恶性细胞和骨髓细胞一起表达吸引T细胞的趋化因子。通过识别相互作用的细胞程序,我们揭示了空间上组织的免疫-恶性细胞网络的逻辑。

结论

肿瘤是异质性的,但肿瘤内的免疫细胞可塑性较低,表现出的行为也比较有限。在这里,我们确定了反复出现的、空间上有组织的细胞与细胞之间的相互作用,这有助于MMRd和MMRp肿瘤中协调的多细胞免疫反应。

我们的研究表明,T细胞在人类肿瘤内被组织成结构化的细胞邻域。热点的形成可能取决于一个正反馈回路,其中T细胞表达的IFNG驱动诱导CXCR3趋化因子(作为ISG反应的一部分),然后吸引更多的T细胞和其他细胞。支持这一概念,最近的研究表明,骨髓细胞中CXCR3趋化因子的表达是小鼠检查点抑制剂治疗后诱导抗肿瘤T细胞反应所必需的。此外,一些研究将CXCR3趋化因子系统与T细胞进入组织联系起来,包括在黑色素瘤、病毒感染和疫苗接种中招募CD8+T细胞,即使在没有抗原的情况下,局部给予CXCL9和CXCL10也能招募活化T细胞进入上皮组织。在人类中,一个IFNγ诱导的签名,与我们在枢纽6的程序中观察到的基因重叠,与多种人类肿瘤类型中对PD-1阻断的有利反应相关。此外,最近一项跨越7种肿瘤类型(包括CRC)的荟萃分析发现,克隆TMB和CXCL9/CXCL13的表达是检查点抑制剂反应的最强预测因素。与正反馈环相比,肿瘤中持续存在的ISG枢纽可能会驱动免疫抑制,因为负反馈会上调诸如PD1/PDL1、Lag3/MHC-II、Tim3/LGALS9和IDO1等共同抑制因子。事实上,在B16黑色素瘤小鼠模型中的机理工作表明,IFNγ可以驱动一个多基因抗性程序。正反馈或负反馈在特定的位置或时间是占优势的,这对确定不同的肿瘤和治疗方法很重要。

另一个重要的问题是,这些多细胞免疫形成是否与之前在组织中观察到的结构相似。TLS经常在肿瘤的侵袭边缘以下发现,包含生殖中心B细胞,并与高T细胞活性、良好的预后和对免疫疗法的有效反应有关。相比之下,枢纽6被发现在肿瘤中心,没有孕育中心,相对于正常结肠,肿瘤的B细胞被耗尽了。少数研究观察到不可能是TLS的聚合体。在一项早期的黑色素瘤免疫研究中,IFNγ、T细胞和PD-L1的染色显示它们在肿瘤中的空间接近。另一个小组观察到干细胞样CD8+T细胞与MHC II类+细胞的聚集,这与受影响个体的肾癌进展较少有关。第三项研究表明,对小鼠进行疫苗接种会诱发IFNγ/CXCR3依赖性的T细胞和骨髓细胞表达CXCL10的空间枢纽。这个枢纽在血管周围形成,有利于循环T细胞进入组织,为T细胞与其他细胞的频繁相遇提供了一个平台,以协调免疫反应。

另一个中心是以炎症CAFs、单核细胞和中性粒细胞之间的炎症正反馈环为中心,位于管腔表面。结肠肿瘤的管腔表面有一个异常的上皮衬里,肿瘤块突出到肠腔内,在那里它可能遭受结肠内容物的磨擦性损伤。组织损伤可能导致微生物配体的进入或死亡细胞释放免疫刺激配体,从而导致炎症。炎症反应可能与伤口愈合反应交织在一起,可导致肉芽组织。有趣的是,最近在小鼠中的一项研究显示,损伤诱导的白细胞介素-1(IL-1)可以触发GREM1+间质细胞的RSPO3表达,这表明在炎症枢纽和我们在人类CRC中观察到的基质细胞区的转录和空间重塑之间可能存在联系。事实上,我们在管腔表面观察到扩张的血管,这与以前在CRC的研究一致,这些血管被表达基质金属蛋白酶(MMPs)的高度炎症性成纤维细胞所包围,已知这有助于肿瘤血管生成和组织重塑。炎症中心还具有Treg程序和T细胞程序,包括IL-17。IL-17已被证明在小鼠模型中促进血管生成和肿瘤扩张,包括通过CAF的激活和招募可支持肿瘤生长的粒细胞。因此,炎症枢纽的多个特征与抑制抗肿瘤反应和促进肿瘤生长有关。

我们的研究提供了一个丰富的细胞状态、基因程序及其在肿瘤中的转变的数据集(如在基质细胞中观察到的深刻变化),这些数据集跨越了一个相对较大的CRC个体队列。我们根据基因程序的共同变化预测了几个多细胞枢纽,并随后对两个免疫恶性枢纽进行了空间定位,将大量的细胞状态和程序组织成较少数量的细胞和过程的协调网络。了解这些中心的分子机制,并研究它们在治疗时的时间和空间调节,对推进癌症治疗至关重要。原文链接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00945-4

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