文献解读 | 人结直肠癌中空间组织的多细胞免疫中心

几乎所有肿瘤都有免疫细胞浸润，但免疫反应的类型及其对肿瘤生长、转移和死亡的影响在不同癌症和肿瘤个体之间存在很大差异。结直肠肿瘤（CRC）的免疫反应性有很大的动态范围，尤其在两种基因不同亚型的患者之间存在显著差异：错配修复缺陷型（MMRd）结直肠肿瘤的突变负荷高，通常含有细胞毒性T细胞浸润，对免疫检查点阻断的反应率为50%，而错配修复良好型（MMRp）肿瘤的突变负荷低，对免疫疗法基本无反应。然而，目前尚未有精细的单细胞水平免疫细胞图谱来对不同结直肠亚型的肿瘤微环境差异进行描绘。

2021年9月2日，美国麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的Nir Hacohen教授团队在 Cell 杂志上发表了一篇题为 Spatially organized multicellular immune hubs in human colorectal cancer 的研究论文。在该研究中，作者对来自28个错配修复缺陷（MMRp）和34个错配修复缺陷（MMRd）个体的结直肠肿瘤和邻近正常组织进行了单细胞转录组和空间转录组测序分析，发现肿瘤间存在广泛的转录和空间重塑，肿瘤腔界面存在一个与组织损伤相关的髓系细胞吸引中心，肿瘤内部存在一个在MMRd患者中富集的免疫细胞群，揭示了人结直肠癌肿瘤空间组织的免疫-恶性细胞互作网络的内在机理。

01 MMRd 和 MMRp CRC免疫细胞组分的重塑

为了探究MMRd和MMRp CRC中恶性细胞、免疫细胞和基质细胞是如何相互作用的，作者采集了34例MMRd和28例MMRp未经治疗患者的原发结肠组织，以及36例患者的邻近正常结肠组织进行了单细胞转录组测序（scRNA-seq），最终得到共371,223个高质量细胞数据。完成细胞注释后，作者利用非负性矩阵因式分解（NMF）对不同细胞类型的转录模块（共表达基因集）进行了解析。通过比较分析，作者发现肿瘤（MMRd或MMRp）中产生免疫球蛋白A(IgA)的浆细胞、B细胞、IL7R+ T细胞和γδ-like T细胞相对减少，而调节性T细胞(Treg)、单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞存在增多。单核细胞和巨噬细胞中上调了肿瘤特异性的促炎特征模块（pM02中的MMP12和MMP9）、招募髓系细胞模块（pM10中的CCL2和CCL7）、刺激生长模块（pM14中的VEGFA和EREG）和清除炎症模块（pM06中的APOE）。来自MMRd肿瘤髓系细胞还显示出更高的糖酵解基因程序（pM03）、免疫激活预警素（pM16中的S100A8/9/12）和吸引髓系细胞的趋化因子（pM20）表达趋势。这些结果说明，单核细胞和巨噬细胞在两亚型结直肠肿瘤中发生了重塑，并在MMRd中存在更显著的免疫激活特征。

02 原发性MMRd和MMRp肿瘤管腔表面的炎症聚集中心

通过NMF分析，作者将不同细胞类型的共表达转录模块区块化的分解，发现其中Hub 3的特点为MMRd和MMRp肿瘤中都表现为集中的恶性细胞和单核细胞炎症转录特征。此外，炎症性髓系、基质和恶性细胞在转录模块中都存在共表达的基因和共享的转录因子，如NF-kB和CEPBP等。为进一步探究驱动这些恶性肿瘤/免疫/中性粒细胞的相互作用机理，作者对中性粒细胞转录模块中的所有趋化因子和细胞因子进行了结合分析，发现恶性细胞、GREM1+ CAFs、MMP3+ CAFs、单核细胞以及表达同源趋化因子（CXCL1/2/3/5/6/8）的中性粒细胞共同吸引了CXCR1/2+ 中性粒细胞。这表明，恶性细胞、CAFs、单核细胞和中性粒细胞似乎协同招募髓系细胞，并通过炎症细胞因子扩大髓系细胞的招募。

03 CXCL13+ T细胞和ISGs+ 髓系细胞与恶性细胞之间的协调网络

为了探究恶性肿瘤和T细胞之间是否对MMRd和MMRp肿瘤微环境起着潜在的共同作用，作者对显示出高CXCL13+ T细胞占比的3个肿瘤组织切片进行了空间转录组测序（GeoMx DSP）。作者观察到，在每个肿瘤的区域中，恶性上皮区域中ISG的表达与相邻非上皮区域中CXCL13的表达呈正相关，这一分布特征暗示了恶性肿瘤与T细胞在这一区域临界区中有潜在相互作用。鉴于此特点，作者结合之前NMF分析结果进行了解析，发现髓系、恶性和基质细胞在共表达模块中都包含ISG基因模块（如CXCL9、CXCL10和CXCL11），而且它们的同源受体CXCR3在活化的T细胞和某些树突状细胞亚群中存在上调趋势。另外，作者通过组织切片染色，同样观察到了CXCL10/CXCL11阳性细胞会通过进一步招募CXCL13+/IFNG+和CD3E+ T来形成免疫聚集中心，证明T细胞衍生的IFN-γ会诱导CXCR3配体的表达，最终吸引更多T细胞在肿瘤内形成免疫聚集中心。

结论和意义

在该研究中，作者基于scRNA-seq对MMRd和MMRp CRC的显著特征进行了综合的分析探究，在原发性MMRd和MMRp肿瘤的管腔边缘发现了由恶性细胞、单核细胞、成纤维细胞和中性粒细胞组成的炎症相互作用网络，以及MMRd特异性免疫活动中心，该中心聚集了与活化T细胞相邻的表达趋化因子的恶性和非恶性细胞。该研究为发现人类癌症的免疫和致瘤过程所依赖的多细胞相互作用网络提供了一条新的研究途径。

参考文献：

Pelka K, Hofree M, Chen JH, Sarkizova S, Pirl JD, Jorgji V, Bejnood A, Dionne D, Ge WH, Xu KH, Chao SX, Zollinger DR, Lieb DJ, Reeves JW, Fuhrman CA, Hoang ML, Delorey T, Nguyen LT, Waldman J, Klapholz M, Wakiro I, Cohen O, Albers J, Smillie CS, Cuoco MS, Wu J, Su MJ, Yeung J, Vijaykumar B, Magnuson AM, Asinovski N, Moll T, Goder-Reiser MN, Applebaum AS, Brais LK, DelloStritto LK, Denning SL, Phillips ST, Hill EK, Meehan JK, Frederick DT, Sharova T, Kanodia A, Todres EZ, Jané-Valbuena J, Biton M, Izar B, Lambden CD, Clancy TE, Bleday R, Melnitchouk N, Irani J, Kunitake H, Berger DL, Srivastava A, Hornick JL, Ogino S, Rotem A, Vigneau S, Johnson BE, Corcoran RB, Sharpe AH, Kuchroo VK, Ng K, Giannakis M, Nieman LT, Boland GM, Aguirre AJ, Anderson AC, Rozenblatt-Rosen O, Regev A, Hacohen N. Spatially organized multicellular immune hubs in human colorectal cancer. Cell. 2021 Sep 2;184(18):4734-4752.e20. doi: 10.1016/j.cell.2021.08.003. Epub 2021 Aug 26. PMID: 34450029; PMCID: PMC8772395.