MIT-哈佛研究人员发现隐藏在肿瘤中的免疫细胞“枢纽”

诸平

In a subset of human colorectal tumors, immune cells such as activated and potentially tumor-reactive T cells (white, green, and magenta) are organized into “hubs” around malignant cells (blue) expressing molecules (yellow) that attract immune cells. Credit: Joshua Pirl, Vjola Jorgji, Linda Nieman, Jonathan Chen. Source: Pelka, Hofree, Chen et al. Cell. 2021

人体中的肿瘤就像一座战争中的城市，癌细胞、免疫细胞、血管、信号分子和周围组织熙熙攘攘。对这些玩家的简单调查将提供一些关于他们战斗的基本信息，但不会告诉你他们的组织或策略。一组研究人员对这个组织有了新的认识。他们发现，在一些人类结肠直肠肿瘤中的免疫细胞聚集在一起，就像士兵在列队作战。通过使用单细胞分析和成像技术的独特组合，以及新开发的数据分析方法，科学家们发现了以前在肿瘤中未观察到的细胞空间组织水平。相关研究结果于2021年8月26日已经在《细胞》（Cell）杂志网站发表——Karin Pelka, Matan Hofree, Jonathan H. Chen, Siranush Sarkizova, Joshua D. Pirl, Vjola Jorgji, Alborz Bejnood, Danielle Dionne, William H. Ge, Katherine H. Xu, Sherry X. Chao, Daniel R. Zollinger, David J. Lieb, Jason W. Reeves, Christopher A. Fuhrman, Margaret L. Hoang, Toni Delorey, Lan T. Nguyen, Julia Waldman, Max Klapholz, Isaac Wakiro, Ofir Cohen, Julian Albers, Christopher S. Smillie, Michael S. Cuoco, Jingyi Wu, Mei-ju Su, Jason Yeung, Brinda Vijaykumar, Angela M. Magnuson, Natasha Asinovski, Tabea Moll, Max N. Goder-Reiser, Anise S. Applebaum, Lauren K. Brais, Laura K. Dello Stritto, Sarah L. Denning, Susannah T. Phillips, Emma K.Hill, Julia K. Meehan, Dennie T. Frederick, Tatyana Sharova, Abhay Kanodia, Ellen Z. Todres, Judit Jané-Valbuena, Moshe Biton, Benjamin Izar, Conner D. Lambden, Thomas E. Clancy, Ronald Bleday, Nelya Melnitchouk, Jennifer Irani, Hiroko Kunitake, David L. Berger, Amitabh Srivastava, Jason L. Hornick, Shuji Ogino, Asaf Rotem, Sébastien Vigneau, Bruce E. Johnson, Ryan B. Corcoran, Arlene H. Sharpe, Vijay K. Kuchroo, Kimmie Ng, Marios Giannakis, Linda T. Nieman, Genevieve M. Boland, Andrew J. Aguirre, Ana C. Anderson, Orit Rozenblatt-Rosen, Aviv Regev, Nir Hacohen. Spatially organized multicellular immune hubs in human colorectal cancer. Cell, 2021, 184: 1-19. DOI: 10.1016/j.cell.2021.08.003. Published: August 26, 2021. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00945-4

此研究结果指出，在某些类型的结肠直肠癌中，免疫细胞的相互作用网络更容易被免疫系统“发现”。这表明含有这些中枢的癌症可能更有可能对称为免疫疗法的癌症药物产生反应，这种药物会刺激免疫系统杀死癌细胞。

来自美国麻省理工学院和哈佛大学的布罗德研究所（Broad Institute of MIT and Harvard）、哈佛大学医学院(Harvard Medical School简称 HMS) 、麻省总医院(Massachusetts General Hospital简称MGH)癌症中心(MGH Cancer Center)、麻省总医院病理科（Department of Pathology, MGH）、哈佛大学医学院生物医学信息系（Department of Biomedical Informatics, HMS）、纳米弦技术公司（NanoString Technologies Inc.）、HMS和布里格姆妇女医院(Brigham and Women’s Hospital简称BWH) 恒大免疫疾病中心（Evergrande Center for Immunologic Diseases）、德纳-法伯癌症研究所（Dana-Farber Cancer Institute简称DFCI）、哈佛医学院布拉瓦尼克研究所（Blavatnik Institute, HMS）以及MIT霍华德·休斯医学研究所和科赫综合癌症研究所（Howard Hughes Medical Institute and Koch Institute for Integrative Cancer Research, Department of Biology, MIT）等多家机构的科学家们表示，这项研究可能会为如何让其他肿瘤对此类治疗更有反应提供启发。

麻省总医院癌症免疫学中心主任，哈佛医学院教授、布罗德研究所(Broad Institute)细胞回路项目(cell Circuits Program)的联合主任、该研究的通讯作者之一尼尔·哈科恩(Nir Hacohen)说：“通过分析肿瘤（tumor）中每个细胞的活动，我们能够监听细胞之间的对话，并分辨出以前我们看不见的组织。”

其他三位通讯作者分别是布罗德研究所成员、哈佛医学院(HMS)副教授、布莱根姆妇女医院(BWH)科学家、恒大免疫疾病中心(Evergrande Center for immundiseases)核心教员安娜·安德森(Ana Anderson); 该研究开始时布罗德研究所的核心成员特拉维夫·雷格夫(Aviv Regev);以及在研究期间，布罗德研究所克拉曼细胞观测台(Klarman cell Observatory)单细胞基因组学的高级主任奥里特·罗赞布拉特-罗森(Orit Rozenblatt-Rosen)。

不同免疫反应的肿瘤（Tumors with different immune responses）

在遗传和分子水平上，大肠癌可分为两种类型。错配修复缺陷(Mismatch repair deficient 简称MMRd)肿瘤不能正确修复细胞分裂时DNA中的错误，导致癌细胞突变的积累。这些肿瘤通常对新的免疫疗法有反应。另一种类型是错配修复精通(Mismatch repair proficient简称MMRp)肿瘤，不会积累那么多突变，对现有免疫疗法的反应不佳。

博士后研究员卡琳·佩尔卡（Karin Pelka）、Matan Hofree和乔纳森·陈（Jonathan Chen）三人都是这项新研究的共同第一作者，也是特拉维夫·雷格夫实验室和尼尔·哈科恩实验室的成员，他们想要探究MMRd和MMRp肿瘤中免疫细胞功能的差异。研究人员与波士顿多家医院的医生和恒大中心的免疫学家合作，从尚未接受任何治疗的患者中收集了34例MMRd和29例MMRp结直肠肿瘤样本。利用布罗德研究所的云计算能力，该团队分析了来自这些肿瘤的近40万个细胞，使用单细胞RNA测序对它们进行分析，这使他们能够确定哪些基因在每个细胞中表达。

安娜·安德森说:“像肿瘤这样的复杂系统需要一个由具有不同专业知识的研究人员组成的网络，来接受研究其细胞组织的挑战。与多个机构的研究团队合作，使我们能够进行这项独特的研究，并对免疫细胞在肿瘤中的组织方式有了新的认识。”

此前，研究人员利用这种数据将细胞聚类成离散的类别，然后描述每种细胞类型的基因表达模式。然而，尼尔·哈科恩、特拉维夫·雷格夫、卡琳·佩尔卡、Matan Hofree和乔纳森·陈开发了一套新的数据分析方法，以研究更细微的基因活动程序以及不同细胞中的程序如何相互连接和协调。

利用这些新的分析工具，研究小组发现，特定的基因程序和细胞类型只存在于MMRd肿瘤中，这些肿瘤对免疫治疗更敏感。此外，只有MMRd肿瘤的某些亚群显示出与抗肿瘤免疫相关的细胞活性和基因程序。

免疫活性的中枢（Hubs of immune activity）

科学家们随后寻找在不同细胞类型中相互协调的基因程序，当一种基因程序的表达增加或减少时，另一种程序也会随之改变。

卡琳·佩尔卡说：“我们意识到，了解肿瘤的单个部分和细胞类型并不能告诉我们整体情况。我们需要了解每个细胞在做什么，以及细胞如何相互协作完成它们的任务。”

分析显示，恶性肿瘤细胞和两种免疫细胞T细胞和骨髓细胞可能相互作用并启动特定的基因程序。为了了解表达这些基因程序的细胞是如何在肿瘤内部组织起来的，研究小组在显微镜下分析了来自患者的肿瘤样本，重点研究了具有协调基因程序的T细胞和癌细胞之间的相互作用。这使得他们能够锁定肿瘤深处的免疫细胞集束中心（clustered hubs of immune cells）。

特拉维夫·雷格夫说:“观察不同细胞类型中的共变程序（co-varying programs）为这个复杂的肿瘤生态系统提供了一个新的视角。”

科学家们还注意到，与MMRp肿瘤相比，MMRd肿瘤(对免疫治疗反应更好)中中枢（hubs）的发生率更高。他们假设中枢（hubs）可能与肿瘤对治疗的反应有关。

Matan Hofree说:“令人震惊的是，我们在计算分析中预测的一些最强的相互作用信号，实际上是可以观察到的细胞空间组织中心（spatially organized hubs of cells）。”

乔纳森·陈说：“事实证明，这些肿瘤的免疫是相当有组织的，而不是扩散的。特别是当我们观察MMRd肿瘤时，这些清楚的结构包含了活跃的免疫细胞。”

该研究小组目前正计划进行研究，使用相同的方法跟踪结肠直肠癌中的免疫细胞在免疫治疗过程中如何改变它们的基因表达模式和彼此之间的交流。奥里特·罗赞布拉特-罗森说:“我们希望这项研究为未来研究癌症细胞间组织提供一个框架。”上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

How immune cells survive their battle with cancer

Highlights

• A scRNA-seq study reveals shared and distinct features of human MMRd and MMRp CRC

• Co-variation of single-cell transcriptional programs across specimens predicts immune hubs

• A myeloid-rich inflammatory hub is identified below the colonic lumen in human CRC

• CXCR3-ligand+ cells form foci with activated T cells in human MMRd CRC

Summary

Immune responses to cancer are highly variable, with mismatch repair-deficient (MMRd) tumors exhibiting more anti-tumor immunity than mismatch repair-proficient (MMRp) tumors. To understand the rules governing these varied responses, we transcriptionally profiled 371,223 cells from colorectal tumors and adjacent normal tissues of 28 MMRp and 34 MMRd individuals. Analysis of 88 cell subsets and their 204 associated gene expression programs revealed extensive transcriptional and spatial remodeling across tumors. To discover hubs of interacting malignant and immune cells, we identified expression programs in different cell types that co-varied across tumors from affected individuals and used spatial profiling to localize coordinated programs. We discovered a myeloid cell-attracting hub at the tumor-luminal interface associated with tissue damage and an MMRd-enriched immune hub within the tumor, with activated T cells together with malignant and myeloid cells expressing T cell-attracting chemokines. By identifying interacting cellular programs, we reveal the logic underlying spatially organized immune-malignant cell networks.