腫瘤微環(huán)境的免疫分型揭示癌癥個(gè)性化免疫治療的分子異質(zhì)性

期刊：Advanced science
影響因子：14.1
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研究背景
腫瘤微環(huán)境（TME）對(duì)癌癥預(yù)后和療效有重要影響，但其組成具有高度異質(zhì)性，目前尚無一種普適性的高通量方法對(duì)其進(jìn)行定義。本研究開發(fā)了TMEclassifier，一種機(jī)器學(xué)習(xí)工具，可將癌癥分為三種不同亞型：免疫排斥型（IE）、免疫抑制型（IS）和免疫激活型（IA）。通過bulkRNA測(cè)序可根據(jù)TME亞型對(duì)患者樣本進(jìn)行分類，體內(nèi)小鼠模型驗(yàn)證了TME亞型的差異以及對(duì)免疫治療的不同響應(yīng)。IE亞型的特征是基質(zhì)細(xì)胞豐度高，與侵襲性癌癥表型相關(guān)；IS亞型以髓系來源抑制細(xì)胞浸潤為特點(diǎn)，加劇免疫抑制； IA亞型常與EBV（Epstein-Barr病毒）/MSI（微衛(wèi)星不穩(wěn)定）相關(guān)，表現(xiàn)出T細(xì)胞富集及更好的免疫治療響應(yīng)。本研究應(yīng)用單細(xì)胞RNA測(cè)序探索TME的細(xì)胞異質(zhì)性，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，靶向IL-1（白細(xì)胞介素-1）可抵消IS亞型的免疫抑制作用，并顯著提高其對(duì)免疫治療的敏感性。TMEclassifier的預(yù)測(cè)在該前瞻性胃癌隊(duì)列（TIMES-001）及其他多種隊(duì)列中得到了驗(yàn)證。這種分類工具能夠有效對(duì)患者進(jìn)行分層，為個(gè)性化免疫治療策略提供指導(dǎo)，從而提高治療精準(zhǔn)度。

主要技術(shù)
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研究結(jié)果
1. TME亞型分類模型的構(gòu)建與驗(yàn)證
作者基于亞洲癌癥研究組（ACRG）胃癌隊(duì)列的基因表達(dá)數(shù)據(jù)，通過CIBERSORT和MCP-counter工具估算23種腫瘤微環(huán)境（TME）細(xì)胞的浸潤水平，經(jīng)無監(jiān)督聚類分析識(shí)別出三種穩(wěn)定的TME亞型：免疫排斥型（IE）、免疫抑制型（IS）和免疫激活型（IA）。為實(shí)現(xiàn)高效且可重復(fù)的分類，作者通過成對(duì)差異表達(dá)基因（DEG）分析篩選出134個(gè)亞型特異性特征基因（IE：40個(gè)，IS：19個(gè)，IA：75個(gè)），并采用支持向量機(jī)（SVM）、隨機(jī)森林（RF）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NNET）等6種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，在ACRG隊(duì)列的訓(xùn)練集（75%樣本）和驗(yàn)證集（25%樣本）中構(gòu)建集成模型（TMEclassifier）。結(jié)果顯示，該模型在訓(xùn)練集的準(zhǔn)確率達(dá)94%（Kappa值90%），驗(yàn)證集準(zhǔn)確率82%（Kappa值74%），可穩(wěn)定區(qū)分三種亞型。后續(xù)將其應(yīng)用于1992例胃癌樣本及多個(gè)癌癥隊(duì)列，結(jié)合bulk-seq和單細(xì)胞RNA-seq數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該模型對(duì)TME特征、信號(hào)通路及細(xì)胞相互作用的區(qū)分能力，為后續(xù)分析奠定了可靠基礎(chǔ)。

圖1 TMEclassifier 構(gòu)建和TME亞型特異性分析的工作流程

2. TME亞型與臨床特征及生存結(jié)局的關(guān)聯(lián)
在ACRG隊(duì)列中，三種TME亞型呈現(xiàn)顯著的臨床和分子差異。臨床特征方面，IE亞型多為晚期（AJCCIII/IV期占72%），以彌漫型Lauren分型為主（64%），且與上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）亞型高度相關(guān)；IA亞型多為早期（I/II期占59%），與微衛(wèi)星不穩(wěn)定（MSI）和EBV感染腫瘤（合計(jì)56%）高度相關(guān)。生存分析顯示，IA亞型預(yù)后最佳，IE最差，IS居中，且該趨勢(shì)在TCGA-STAD、GSE84437等多個(gè)隊(duì)列中一致。輔助治療（放化療）可顯著改善IE和IA患者的總生存期（p<0.001），但對(duì)IS患者無顯著獲益（p=0.25），提示IS存在固有耐藥性。分子特征方面，IA亞型腫瘤突變負(fù)荷（TMB）最高，免疫檢查點(diǎn)基因（如CD274、PDCD1）及效應(yīng)CD8⁺T細(xì)胞功能基因（如CD8A、GZMB）表達(dá)顯著上調(diào)，表現(xiàn)更強(qiáng)的抗腫瘤免疫活性；IE亞型TMB最低，在EMT和基質(zhì)相關(guān)通路富集。免疫治療響應(yīng)方面，IA亞型TMEscore（反映免疫浸潤水平）最高，對(duì)免疫檢查點(diǎn)阻斷（ICB）治療的敏感性顯著高于IE和IS，而傳統(tǒng)標(biāo)志物PD-L1CPS在該隊(duì)列中無法有效區(qū)分治療響應(yīng)。

圖2 TME亞型與臨床特征、免疫治療療效生物標(biāo)志物和生存結(jié)局的關(guān)系

3. TME亞型的細(xì)胞浸潤模式及進(jìn)化關(guān)系
通過bulk RNA和單細(xì)胞RNA-seq數(shù)據(jù)分析三種亞型的細(xì)胞浸潤特征，結(jié)果顯示三者之間有顯著差異。IE亞型中癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAFs）、內(nèi)皮細(xì)胞、M2型巨噬細(xì)胞及靜息樹突狀細(xì)胞顯著富集，形成“免疫排斥”微環(huán)境，阻礙免疫細(xì)胞浸潤；IS亞型以中性粒細(xì)胞、M0型巨噬細(xì)胞、活化肥大細(xì)胞等髓系細(xì)胞浸潤為主（髓系細(xì)胞占比21.97%），CD8⁺T細(xì)胞浸潤最少，呈現(xiàn)“免疫抑制”表型；IA亞型高浸潤C(jī)D8⁺T細(xì)胞、M1型巨噬細(xì)胞、活化記憶CD4⁺T細(xì)胞，具有強(qiáng)抗腫瘤活性，形成“免疫激活”微環(huán)境。單細(xì)胞數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)： IA中T-NK細(xì)胞富集（占比50.92%），髓系細(xì)胞在IS中占比最高，內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞在IE中更活躍。擬時(shí)序分析提示三種亞型可能存在進(jìn)化關(guān)系：從IA逐漸向IS、IE轉(zhuǎn)化，為通過靶向干預(yù)逆轉(zhuǎn)耐藥微環(huán)境提供了理論基礎(chǔ)。

圖3 三種TME亞型的腫瘤微環(huán)境景觀和動(dòng)態(tài)演化

4. IL-1/IL-1R1信號(hào)通路在IS亞型免疫抑制中的作用
機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，IS亞型中IL-1/IL-1R1信號(hào)通路上調(diào)是導(dǎo)致免疫抑制和ICB耐藥的關(guān)鍵。表達(dá)特征上，IS亞型中IL-1α/β（配體）和IL-1R1（受體）表達(dá)顯著升高，且與髓系來源抑制細(xì)胞（MDSC）浸潤、T細(xì)胞耗竭呈正相關(guān)，與CD8⁺T細(xì)胞浸潤呈負(fù)相關(guān)。細(xì)胞間通訊分析顯示，IL-1/IL-1R1是IS亞型中最主要的配體-受體相互作用，通過招募髓系細(xì)胞和激活成纖維細(xì)胞，形成免疫抑制正反饋循環(huán)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在IS亞型小鼠模型（YTN5細(xì)胞系）中，聯(lián)合使用IL-1R抑制劑與抗PD-1抗體可顯著增加CD8⁺T細(xì)胞和M1巨噬細(xì)胞浸潤，激活細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞分泌細(xì)胞因子，逆轉(zhuǎn)ICB耐藥，腫瘤殺傷效果提升約2倍。

圖4 TME亞型與IL-1/IL-1R1及其他生物學(xué)特征的關(guān)系

5. TME亞型作為跨癌種免疫治療響應(yīng)預(yù)測(cè)標(biāo)志物的驗(yàn)證
在多個(gè)獨(dú)立隊(duì)列中，TMEclassifier的預(yù)測(cè)價(jià)值得到驗(yàn)證。胃癌隊(duì)列中，TIMES-001前瞻性試驗(yàn)（n=93）顯示，IA亞型患者接受ICB聯(lián)合化療的無進(jìn)展生存期（PFS）顯著長于IE/IS（p<0.001），且模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性（AUC=0.75）優(yōu)于PD-L1CPS（AUC=0.63）和TIDE評(píng)分（AUC=0.58）。跨癌種驗(yàn)證中，在尿路上皮癌（IMvigor210隊(duì)列）、肝細(xì)胞癌（GO30140+IMbrave150隊(duì)列）和非小細(xì)胞肺癌（OAK+POPLAR隊(duì)列）中，IA亞型均與更高的ICB響應(yīng)率和更長的生存期相關(guān)，而IS亞型普遍對(duì)免疫治療和化療耐藥。結(jié)合TMEclassifier與TMEscore（高TMEscore且為IA亞型的患者響應(yīng)率達(dá)62.5%）可進(jìn)一步提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，為臨床治療決策提供更精準(zhǔn)的依據(jù)，凸顯了TME亞型分類在個(gè)性化免疫治療中的重要價(jià)值。

圖5 TME分型作為胃癌和其他腫瘤類型免疫治療響應(yīng)預(yù)測(cè)生物標(biāo)志物的驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)：
Zeng D, Yu Y, Qiu W, Ou Q, Mao Q, Jiang L, Wu J, Wu J, Luo H, Luo P, Gu W, Huang N, Zheng S, Li S, Lai Y, Huang X, Fang Y, Zhao Q, Zhou R, Sun H, Zhang W, Bin J, Liao Y, Yamamoto M, Tsukamoto T, Nomura S, Shi M and Liao W 2025 Immunotyping the Tumor Microenvironment Reveals Molecular Heterogeneity for Personalized Immunotherapy in Cancer Adv Sci (Weinh) 12 e2417593.

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