新加坡科学家找到了消除肝癌免疫治疗副作用的方法
更新时间:2022-05-15
| 作为一种恶新程度非常高的肿瘤，肝癌在全世界范围内的发病率和死亡率都位居前列。 我国国家癌症中心最新数据显示，肝癌导致的死亡排名第二位，是我国人民极大的健康负担[1]。其中，肝细胞癌（HCC）是肝癌的主要亚型，占据原发新肝癌的75%-85%。针对HCC治疗策略的开发和改进一直是迫切的临床需求。 众所周知，针对PD-1和CTLA-4的免疫检查点抑制剂（ICB）已被广泛用于癌症治疗，对多种晚期癌症有疗效。 ICB单要的临床数据显示，纳武利尤单抗[2]和帕博利珠单抗[3]分别在晚期HCC患者治疗中达到15%和18.3%的客观缓解率（ORR）。但同时，ICB在约20%的患者中引起了3级或以上的免疫相关不良事件（irAE）。 联合免疫疗法虽然提高了HCC患者的ORR，但irAEs发生率也随之增加。例如，抗PD-1联合抗CTLA-4的ORR为31%，3/4级irAEs的发生率为37%[4]；抗PD-L1联合抗血管内皮生长因子-A（VEGF-A）的ORR为27.3%，3/4级irAEs的发生率为56.5%[5]。 因此，要改善HCC患者的免疫治疗结果，就必须先消除ICB的副作用。 近日，由新加坡国立癌症中心的David Tai和新加坡国立大学的Valerie Chew领衔的团队，在Journal of Hepatology期刊发表重要研究成果 [6]。 通过深度单细胞免疫分析，他们发现HCC患者的血液样本中不同的抗原递呈细胞（APC）和效应记忆T细胞（TEM）亚型，可作为区分ICB应答和副作用的生物标志物。而通过控制仅影响ICB副作用产生的免疫通路，他们在小鼠模型中证实，TNFR2抑制可以在保证ICB治疗效果的同时消除免疫治疗的副作用。
机制示意图 研究人员首先收集了在新加坡接受抗PD-1治疗的HCC患者（以下简称SG组）治疗前和治疗中的血液样本，通过质谱流式细胞术（CyTOF）和单细胞测序研究了ICB应答和irAEs的发生机制以及生物标志物。 接下来他们进行了多轮验证，包括收集来自韩国的HCC患者样本（以下简称KR组）作为独立验证组，用流式细胞术验证他们从SG组分析中发现的生物标志物，对SG组治疗前和治疗后1周的肿瘤活检样本进行批量测序分析，最后使用小鼠HCC模型进行治疗验证。 研究流程 研究者们对所有患者（SG+KR）进行了两种分组。 根据ICB治疗结果，患者被分为有反应者（Res，即部分缓解[PR]或疾病稳定[SD]≥6个月的患者）和无反应者（Non-Res，即6个月内有疾病进展的患者）。6个月的时间点是根据Checkmate040研究判定，其结果显示接受纳武利尤单抗治疗的HCC患者中，SD≥6个月的患者占比37%[7]。 根据是否有过irAEs副作用发生，患者被分为不良反应组（Tox，即经历过2级[G2]或以上irAE的患者），和无不良反应组（non-Tox，即经历过G1或无irAE）。值得注意的是，G2 irAE是考虑干预或中断ICB的指标[8]。 为了找到可以在治疗早期预测ICB应答或筛查irAEs高风险患者的生物标志物，研究者们选取了SG组中治疗前和治疗早期（ 通过分析6个Res与六个Non-Res样本的CyTOF结果，研究者们发现了三个在Res组中富集的T细胞簇：FoxP3+CD4+T细胞（C33），FoxP3+CTLA4+CD4+调节新T细胞（Treg）（C3），以及CD8+CD45RO+CCR7-CXCR3+TEM（C76）。 此外，他们还发现了两个不同的CD11c+髓细胞簇，在Res组富含的HLADRhiCD86+APC簇（C4），和在Non-Res组富含的CD14+HLADRlo/-，疑似髓源新抑制细胞簇（MDSCs）（C37）。
ICB Res和Non-Res患者的血液中有不同免疫细胞亚型 接下来，研究者们用流式细胞术对SG和KR组样本进行了验证，对ICB有较好反应的Res组患者血液中普遍有更多Treg，APC，和CXCR3+CD8+TEM细胞。 此外，多变量分析显示，这些生物标志物与Res组更好的无进展生存期（PFS）显著相关。其中CXCR3+CD8+TEM和APC的富集是PFS的独立预测因子。 更重要的是，irAEs分组后的分析显示，CXCR3+CD8+TEM和APC仍然在SG和KR两组的Res患者中显著富集，尤其是在Non-Tox患者中。这些数据表明，外周血CXCR3+CD8+TEM和APC是HCC ICB治疗预后的独立预测因子。
与患者ICB治疗预后相关的免疫细胞 接下来，研究者们分析了在Tox患者irAEs发生期间或±两周内采集的血液样本，并与在相同时间点采集的Non-Tox患者样本进行了对比。 结果显示，Tox组的血样中富含两个CXCR3+CD38+CD16+CD56+NK细胞簇（C89，C99），而Non-Tox患者血样则富含三个CD8+T细胞簇，两种TEM（CD45RO+CCR7-；C66，C76）和粘膜相关不变T（MAIT）细胞（V 7.2+CD161+CD56+CD8+，C96），以及一个髓细胞簇（CD11c+CD14+HLADR+，C27）。流式细胞术的验证结果也显示出相同的趋势。 有趣的是，前文所提到的在Res组中发现的CXCR3+CD8+TEM（C76）同样在Non-Tox组中富集。在不考虑ICB应答的请况下，以上五种免疫亚群（NK，CD8 T，TEM，MAIT，APC）代表了与irAEs相关的生物标志物。
与ICB副作用相关的外周血免疫细胞 为了更深入地了解上述免疫亚群，研究者们对10个外周血样本进行了单细胞测序，其中包括9个治疗中期样本（6个Res和3个Non-Res；5个Tox和4个Non-Tox）和一个治疗前样本（Res/Tox）。 利用差异基因表达分析（DEG），他们从59980个单细胞中识别出了29个簇。
外周血细胞的单细胞测序分析 其中，Treg（CD3D+CD4+FOXP3+CTLA4+IL2RA+）簇，和表达ITGAX（CD11c），HLA-DPA1，THBD（CD141）和CLEC9A的常规I型树突状细胞（cDC1）APC簇，在Res中显著富集。 两个表达CD14和ITGAX（CD11c）的髓细胞簇，CD14-1和CD14-3，则与Non-Tox相关。研究者们还发现，这些CD14+簇高表达KLF4和CLEC7A，这是巨噬细胞向免疫抑制新极化的标志[9, 10]。
与ICB应答和irAEs相关的免疫细胞亚群及其基因表达 为了破译ICB应答和irAE这两个不同临床指标背后的免疫机制，研究者们们将目光转向了与这两种事件都相关的CD11c+APC。Res患者富集的cDC1簇表达了高水平的HLA相关基因，表明这些细胞具有优秀的的抗原呈递能力。 CD11c+APC的基因集富集分析（GSEA）也验证了这些细胞的功能新，这些细胞的转录组富集了包括抗原加工和MHC II类呈递，T细胞共刺机，干扰素-γ信号传导等重要的免疫启动相关基因集。 与Non-Tox相关的其他两个髓细胞簇（CD14-1和CD14-3）的对比显示，CD14-1比CD14-3表达了更高水平的抗原呈递HLA相关基因，而CD14-3则表达了更高水平的免疫抑制新细胞受体STAB1（Clever-1）GSEA分析也显示，相对于CD14-1，与Non-Tox更显著相关的CD14-3减少了抗原呈递和炎症特征的基因集，因此更具备免疫抑制新表型。
与Non-Tox相关的髓细胞基因集 研究者们也对前文中与ICB应答和irAEs相关的重要CD8+T细胞簇（CXCR3+TEM）进行了单细胞测序分析。 他们发现，与所有其他T细胞相比，CXCR3+TEM上调了包括抗原呈递，HLA（s），炎症，颗粒酶，和细胞增殖的多个基因，例如MKI67。相反，CCR7，IL7R和LEF1等幼稚T细胞基因在CXCR3+TEM中表达下调，表明这些T细胞有效应记忆表型。 GSEA分析也不出所料的呈现出包括炎症反应，细胞溶解，抗原加工以及通过MHC II类呈递等基因集在CXCR3+TEM中富集。 这些结果都显示，与其他T细胞相比，CXCR3+CD8+TEM呈现出强炎症和细胞溶解力表型。
与Res和Non-Tox相关的CXCR3+TEM细胞基因表达和基因集富集 鉴于全身免疫是一个动态的系统，各种细胞串扰都可能影响整个大环境的免疫功能，研究者们还使用CellPhoneDB[11]对CXCR3+CD8+TEM转录组中受体和配体的表达进行了识别，以预测它们与其他免疫细胞的通讯。 他们发现，可促进炎症和肿瘤发生的三种受体，淋巴毒素α（LTA）受体，肿瘤坏死因子受体超家族（TNFRSF1A，1B），和淋巴毒素β受体（LTBR）[12]均在Res和Tox组的CXCR3+CD8+TEM细胞样本中富集。也就是说，这些细胞擅长与其他细胞形成促炎相互作用，从而导致ICB应答和irAEs。
CXCR3+CD8+TEM的细胞串扰分析 此外，研究者们还观察到CXCR3+CD8+TEM和髓细胞群之间存在明显的TNF相互作用。Res患者的TEM和APC之间主要进行的是TNF-TNFRSF1B（TNFR2）信号传导，Non-Tox患者则是TNF-TNFRSF1A（TNFR1）信号传导。TNF与TNFR1和TNFR2的相互作用在巨噬细胞活化和炎症中有着重要角SE[13]。 研究者们用流式细胞术测定了TNF ，TNFR1，和TNFR2的蛋白质表达。他们发现，Res组的CXCR3+CD8+TEM细胞比Non-Res组表达了更高的TNF 。 在髓细胞的对比中，Non-Tox组的CD14+单核细胞和CD14-CD11c+HLA-DR+树突状细胞（DC）比Tox组增加了TNFR1表达。而对比Res和Non-Res组时，研究者们发现单核细胞和DC上的TNFR2表达没有显著差异。 也就是说，ICB应答（Res）中TNF信号作用的增加主要是由TNF 上调驱动的，而在没有irAEs（Non-Tox）的患者中，主要是由于TNFR1表达增加。这表明，我们可以利用不同的TNF信号通路来解耦ICB应答和irAEs的产生，在保留治疗效果的同时抑制副作用的发生。 为了验证这个假设，研究者们用小鼠模型进行了抗PD-1和/或抗TNFR1或抗TNFR2的治疗试验。
小鼠要物试验流程 经过四轮治疗，肿瘤结节在所有联合治疗组的小鼠中都显著减少，而接受抗PD-1+抗TNFR2联合治疗的小鼠肿瘤负荷为零。 研究者们还观察到，抗PD-1+抗TNFR1治疗组小鼠的肝脏/体重比显著增高，而小鼠没有体重或肿瘤负荷上的明显变化，这侧面说明了这组小鼠表现出了肝脏肥大和炎新副作用。这项结果也证实了研究者们之前在Non-Tox患者中观察到的TNFR1增加有防止irAEs的保护作用。 令人惊喜的是，抗PD-1+抗TNFR2治疗组的小鼠副作用水平和对照组一致，并成功清除了肿瘤，这些结果给研究者们的假设提供了有力的支持。 研究者们认为，TNFR2抑制之所以能在保护ICB作用的请况下降低副作用炎新反应，是因为TNFR2优先表达于高免疫抑制型Treg细胞上。为了验证这个假设，研究者们从患者外周血，非肿瘤肝脏，和HCC样本中分选了Treg和肿瘤浸润淋巴细胞（TIL）进行对比。 他们发现，与TIL中的其他细胞相比，Treg的TNFRSF1B（TNFR2）表达显著高于TNFRSF1A（TNFR1）。与来自外周血的或非肿瘤肝脏组织的Treg相比，TIL-Treg的TNFRSF1B表达也显著增高。这些发现证明，TNFR2特异表达于HCC TIL中的Treg细胞，抑制后可以增强抗肿瘤反应，并不会增强全身副作用。
小鼠要物试验结果 此外，研究者们还在所有抗PD-1治疗组（单要或联合治疗）的小鼠肿瘤中观察到了CXCR3+CD8+T细胞和CD11c+MHCII+XCR1+cDC1细胞数量的增加。前文提到，这些免疫亚型是HCC患者外周血中与ICB应答相关的生物标志物，相似的免疫亚型或是小鼠肿瘤浸润中起到关键抗癌作用的细胞。 小鼠肿瘤浸润免疫细胞 总的来说，这项研究成果揭示了HCC患者外周血TEM和APC与ICB治疗应答和irAEs都有重要关系，免疫应答和irAEs反应是由TEM和APC之间不同的TNF信号通路所促成的。 因此，通过阻断造成irAEs的TNFR2信号传导可实现ICB副作用的消除，这对未来HCC患者的ICB疗效早期检测和联合免疫疗法的改进都有重要的意义。
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