單細(xì)胞與空間轉(zhuǎn)錄組在癌癥和細(xì)胞療效研究中的應(yīng)用盤點

01

靶向PD-L1的CSR提升CAR-T細(xì)胞療效的分子機(jī)制

CAR-T療法在血液惡性腫瘤中療效顯著，但在實體瘤中治療效果卻并不明顯，其主要原因包括實體瘤細(xì)胞表達(dá)的PD-L1等抑制性分子結(jié)合CAR-T細(xì)胞表面的PD-1進(jìn)而抑制CAR-T細(xì)胞的功能，以及CA-T細(xì)胞的持久性太低，為了將PD-L1對CAR-T細(xì)胞的抑制性信號轉(zhuǎn)換為激活信號，多個研究組在CAR-T細(xì)胞中共表達(dá)靶向PD-L1的嵌合轉(zhuǎn)換型受體（CSR），并提升了CAR-T細(xì)胞的抗腫瘤活性，但目前對于共表達(dá)在CAR-T細(xì)胞的CSR會不會影響CAR-T細(xì)胞本身的PD-L1對CAR-T細(xì)胞抗腫瘤活性仍不清楚。

在本研究中設(shè)計了不含有CD3ζ鏈的靶向PD-L1的CSR分子CARP，獲得的CARP-T細(xì)胞不具有腫瘤殺傷活性，并在體外和小鼠模型中證明了CARP-T細(xì)胞能夠提升CAR-T細(xì)胞的抗腫瘤活性，促進(jìn)中樞記憶樣CAR-T細(xì)胞的分化，同時降低CAR-T細(xì)胞IL5、IL10和IL13等Th2型細(xì)胞因子的分泌，這個過程可能是由于CARP分子能夠反式結(jié)合激活CAR-T細(xì)胞表面的PD-L1，導(dǎo)致CARP-T細(xì)胞與CAR-T細(xì)胞間發(fā)生連接，進(jìn)一步scRNA-seq發(fā)現(xiàn)CARP-T細(xì)胞與CAR-T細(xì)胞間的連接促進(jìn)了兩種細(xì)胞間CD70與CD27分子的交流，這個信號通路進(jìn)一步促進(jìn)了記憶樣CAR-T細(xì)胞的分化和降低了Th2類細(xì)胞因子的分泌，最終提升了CAR-T細(xì)胞的抗腫瘤活性，另外研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)靶向CD19的CRS-T細(xì)胞也能夠共表達(dá)CD19分子的提高CAR-T細(xì)胞的抗腫瘤活性。這意味著此類細(xì)胞間的交流不局限于PD-L1，后續(xù)也有可能會發(fā)現(xiàn)更多的CSR來提高CAR-T的治療效果。

02

測評來了--整合單細(xì)胞與空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)評估細(xì)胞間互作分析算法

每個細(xì)胞就像一個人，都有自己的社交網(wǎng)絡(luò)，這也構(gòu)成了多細(xì)胞生物生命活動的基礎(chǔ)，細(xì)胞間相互作用（CCI）可以通過配體、受體、代謝物等信號分子來進(jìn)行，從而實現(xiàn)胞內(nèi)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與胞外信號的動態(tài)調(diào)控過程，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)和空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)的發(fā)展使得通過計算手段預(yù)測細(xì)胞互作成為可能，然而大量的預(yù)測方法準(zhǔn)確性如何并沒有評估標(biāo)準(zhǔn)。

本文由來自同濟(jì)大學(xué)的王晨飛課題組構(gòu)建了一個綜合的流程以評估CCI預(yù)測方法結(jié)果的準(zhǔn)確性。首先基于配體-受體互作數(shù)據(jù)庫和空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)定義了已知配體-受體相互作用的空間距離傾向性，然后基于這種距離傾向性構(gòu)建了一個綜合的流程來評估CCI預(yù)測方法，本文共評估了15種常用的CCI預(yù)測方法，并利用配對的scRNA和ST數(shù)據(jù)將計算的CCI空間距離傾向性和期望的傾向性進(jìn)行量化，來評估預(yù)測結(jié)果是否符合實際的空間分布，通過比較CellChat，ICELLNET，SingleCellSignalR，NicheNet，CellPhoneDB平均排名位于前列，展現(xiàn)出了與期望空間距離傾向較好的一致性。文章還評估了不同方法結(jié)果的相似性，發(fā)現(xiàn)相似的算法更傾向于獲得更多共有的結(jié)果，所以共有結(jié)果不能用于衡量CCI預(yù)測的準(zhǔn)確性，在項目執(zhí)行過程中應(yīng)綜合考慮。

03

scRNA-seq&scATAC圖譜揭示效應(yīng)、記憶和耗竭CD8 T細(xì)胞的共享和差異化生物學(xué)特征

Naïve CD8 T細(xì)胞在急性感染或者疫苗接種過程中可以增殖分化為效應(yīng)（Teff）和記憶（Tmem）CD8 T細(xì)胞，但在慢性感染、癌癥或自身免疫疾病發(fā)展過程中會分化為功能失調(diào)的耗竭（Tex）CD8 T細(xì)胞，其不同的分化途徑導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄和表觀特征的變化，但人們對于Teff、Tmem和Tex細(xì)胞的分化發(fā)育途徑和異質(zhì)性程度，以及潛在的轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳調(diào)控機(jī)制仍知之甚少。

本研究基于LCMV病毒的急性和慢性感染模型，利用scRNA-seq和scATAC-seq技術(shù)縱向探究了不同分化時間點的Teff、Tmem和Tex細(xì)胞。首先鑒定了在Teff、Tmem和Tex細(xì)胞亞群中關(guān)鍵基因Tox，Pdcd1和Tcf7的不同染色質(zhì)可及性特征，然后對急性感染過程中的Teff和Tmem細(xì)胞的分化發(fā)育軌跡進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄水平和ATAC水平鑒定到的細(xì)胞類型并不完全相同，同時也基于鑒定的結(jié)果確定了急性感染中Teff、Tmem的分化是在d8天出現(xiàn)的，并且轉(zhuǎn)錄因子Zeb2-Zeb2是在急性感染模型中CD8 T細(xì)胞CTL和non-CTL細(xì)胞類群分支分化中起到重要作用，進(jìn)一步更長時間的記憶細(xì)胞scRNA-seq結(jié)果表明，長壽記憶CD8 T細(xì)胞的效應(yīng)功能在急性感染的早期就已被表觀遺傳特征所決定。在慢性感染模型早期發(fā)現(xiàn)了與急性感染不同的eff-like細(xì)胞類型，他們高表達(dá)耗竭相關(guān)基因，而在感染晚期，他們發(fā)現(xiàn)了一群以前未鑒定到的Tex細(xì)胞，命名為Exh-KLR細(xì)胞，高表達(dá)NK細(xì)胞相關(guān)基因，這群細(xì)胞與其他Tex細(xì)胞相比，具有更強(qiáng)的細(xì)胞毒性潛能，并且通過差異分析發(fā)現(xiàn)Exh-KLR細(xì)胞和急性感染中的CTL和Mem-CTL細(xì)胞有著不同的分化路徑，但是它們之間共享了表達(dá)NK細(xì)胞受體相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄程序，轉(zhuǎn)錄因子富集分析也發(fā)現(xiàn)Exh-KLR細(xì)胞和CTL細(xì)胞群中都有著較強(qiáng)的Zeb2基因活性，而有著很低的Zeb1基因活性，但這群細(xì)胞和CTL不同的是保留了很強(qiáng)的Tox基因活性。

總之這些表明了具有不同染色質(zhì)景觀的CD8 T細(xì)胞在不同分化發(fā)育途徑中可以使用共享的生物學(xué)特征，但同時也保留了其各自的分化途徑特有的分子特征。

04

篩狀前列腺癌的單細(xì)胞分析揭示了侵襲性疾病的細(xì)胞內(nèi)在通路和腫瘤微環(huán)境通路

前列腺癌是男性最常見的癌癥之一，也是因轉(zhuǎn)移性疾病進(jìn)展而導(dǎo)致癌癥相關(guān)死亡的主要原因。前列腺根治術(shù)中篩狀形態(tài)檢測的男性患者更有可能出現(xiàn)生化復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移性復(fù)發(fā)和前列腺癌特異性死亡。篩狀前列腺癌，見于浸潤性篩狀癌(ICC)和導(dǎo)管內(nèi)癌(IDC)，是一種侵襲性組織學(xué)亞型。ICC/IDC對相當(dāng)一部分前列腺癌患者有所影響，這些患者也有較高的罹患致命前列腺癌的風(fēng)險。

為了闡明ICC/IDC侵襲性的分子和細(xì)胞基礎(chǔ)，此研究通過單細(xì)胞RNA測序、TCR測序和組織學(xué)檢查7例成對的ICC/IDC和良性前列腺手術(shù)樣本。ICC/IDC癌細(xì)胞表達(dá)與轉(zhuǎn)移和靶點相關(guān)的基因，具有治療干預(yù)的潛力。通路分析和配體/受體狀態(tài)模擬了ICC/IDC與包括JAG1/NOTCH在內(nèi)的腫瘤微環(huán)境(TME)之間的相互作用。ICC/IDC TME的特征是血管生成和免疫抑制成纖維細(xì)胞(CTHRC1+ASPN+FAP+ENG+)增多，同時T細(xì)胞減少，T細(xì)胞功能障礙升高，C1QB+TREM2+APOE+- M2巨噬細(xì)胞增多。這些發(fā)現(xiàn)支持癌細(xì)胞內(nèi)在通路和復(fù)雜的免疫抑制TME有助于ICC/IDC的侵襲表型。這些數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)了在ICC/IDC患者中恢復(fù)免疫信號通路的潛在治療機(jī)會，這種治療可能會有更好地效果。

05

單細(xì)胞及空間多組學(xué)分析揭示CAF在組織和物種中的保守性以及應(yīng)對不同干預(yù)的動態(tài)平衡過程

癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAF）是實體腫瘤微環(huán)境的組成部分，可促進(jìn)腫瘤增殖，侵襲和轉(zhuǎn)移和比較差的預(yù)后，而CAF耗竭也可加速腫瘤，這種自相矛盾的現(xiàn)象使得我們要對其復(fù)雜性進(jìn)行更深入的了解，進(jìn)展單細(xì)胞研究已經(jīng)解析了不同CAF的表型。

本文則對同一細(xì)胞進(jìn)行scRNA-seq+scATAC-seq結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄和蛋白組進(jìn)一步對CAF的亞型進(jìn)行解析。首先對乳腺癌小鼠模型進(jìn)行了單細(xì)胞分析定義了三個新的CAF亞型：類穩(wěn)態(tài)（SSL）、機(jī)械反應(yīng)（MR）和免疫調(diào)節(jié)（IM）CAF，并且這三種亞型在不同組織的腫瘤中是保守的，接著使用ArchR's包進(jìn)行了細(xì)胞多組學(xué)聯(lián)合，并繪制了不同CAF亞型的ATAC圖譜，然后基于空間轉(zhuǎn)錄組和CODEX技術(shù)進(jìn)一步分析了內(nèi)源性小鼠乳腺腫瘤組織，并鑒定出MR、SSL和IM CAF亞型位于腫瘤的空間上不同的區(qū)域，然后利用成纖維細(xì)胞對機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的特異性破壞導(dǎo)致SSL CAF增加和更具攻擊性，在有治療反應(yīng)的患者中，暴露于免疫檢查點抑制會導(dǎo)致SSL CAF的減少和IM CAF的成比例增加。

這些數(shù)據(jù)表明三種亞型之間的動態(tài)平衡具有重要意義，識別腫瘤跨區(qū)域共享CAF子類型擴(kuò)大了有效CAF靶向治療。

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