北京大学季加孚团队合作揭示了胃癌及其他多种癌症髓系细胞特征图谱

      2021年2月4日，北京大学肿瘤医院季加孚团队联合北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）、生命科学学院、北京未来基因诊断高精尖创新中心（ICG）张泽民课题组，在国际期刊Cell杂志上，发表题为“A Pan-Cancer Single-Cell Transcriptional Atlas of Tumor Infiltrating Myeloid Cells”的文章。研究团队在国际上率先从单细胞水平对包括胃癌在内的15种癌症肿瘤浸润髓系细胞特征进行了系统性的刻画，比较了肥大细胞、树突状细胞以及肿瘤相关巨噬细胞在不同癌种内的特性，为靶向不同癌种内髓系细胞的免疫治疗提供了重要依据。

    肿瘤具有复杂的生态系统。癌细胞通过与多种其他类型的细胞（如免疫细胞）相互作用形成复杂的细胞调控网络[1]。除淋巴细胞外，髓系细胞也是肿瘤浸润免疫细胞的重要组成成分之一，它在调节肿瘤炎症反应以及血管生成等方面发挥着重要作用[2, 3]，因而成为临床研究中癌症治疗的又一热门靶细胞[4]。

图1 课题设计及主要结论

    我国是胃癌的高发国家，全世界有一半以上的新发胃癌在中国。胃癌具有早期诊断率低、预后不佳、疗效不满意等特点，为健康中国战略实现构成了巨大挑战。季加孚团队是国际胃癌学会的主席单位，具有多年胃癌相关基础及临床研究工作基础。此次联合课题组首先收集了38名胃癌患者的67个组织样本（肿瘤和癌旁组织）进行单细胞转录组测序分析，经过严格的质量控制后，获得共10303个髓系细胞的单细胞转录组数据。研究人员首先鉴定出三类主要髓系细胞类群（肥大细胞、树突状细胞单核细胞/巨噬细胞），并对各个髓系细胞亚群进行了深入分析。

研究发现，对比癌旁正常组织，胃癌肿瘤组织中的肥大细胞比例更高，表明肿瘤组织中的肥大细胞累积在肿瘤的发生和进展过程中起着重要作用。肥大细胞在肿瘤细胞的命运中往往扮演者双重角色，肥大细胞来源的TNF有着重要的抗肿瘤作用, 研究发现胃癌组织中的肥大细胞TNF呈现低表达水平；同时作为一种肿瘤血管生成的关键基因，肥大细胞来源的VEGFA也显著影响着胃癌的肿瘤微环境。为了评估两者对于肿瘤细胞的影响，研究团队计算了肿瘤内TNF⁺／VEGFA⁺肥大细胞的比例，发现胃癌肿瘤组织内VEGFA⁺肥大细胞明显多于TNF⁺肥大细胞。研究结果表明肥大细胞可能在胃癌中起着促进肿瘤发生的作用。

合作课题组在前期研究中首次报道了在肝癌肿瘤内部存在一类新的成熟态树突状细胞[5]，研究团队发现胃癌肿瘤内部存在同种类高表达的LAMP3成熟态树突状细胞，该细胞类群高表达LAMP3、迁移信号CCR7及PD-L1，其中PD-L1的表达水平与胃癌的抗PD-L1抗体治疗效果是否有关值得进一步研究。同时研究发现胃癌肿瘤组织中存在着上调促血管生成相关信号通路的巨噬细胞类群，其特征标记基因为INHBA⁺ TAMs, 表明巨噬细胞类群在胃癌的肿瘤微环境中起着重要作用。

    研究团队鉴定的上述胃癌相关髓系特征及其他癌种的髓系细胞类群是否广泛存在于各类肿瘤内部具有重大研究价值[5-8]。因此，研究团队通过进一步整合团队产出的单细胞转录组测序数据及已发表的公共数据，构建了包括胃癌在内的15个癌种内的髓系细胞图谱，并系统性地比较了各髓系细胞类群在不同的癌种间组成、发育及功能上的异同，相关研究发现如下：

首先肥大细胞在多癌种内呈现不同的功能状态

    研究人员整合多癌种单细胞转录组测序数据（共210名患者，15个癌种），获得共138,161个髓系细胞的单细胞转录组数据。在每个癌种中，研究人员同样鉴定出三类主要髓系细胞类群（肥大细胞、树突状细胞和单核细胞/巨噬细胞），对于异质性较高的树突状细胞和单核细胞/巨噬细胞，研究人员又对它们分别进行无监督聚类，并注释出各细胞亚群。

    在对比各类髓系细胞类群在不同癌种内的分布和功能特征后，研究人员发现鼻咽癌肿瘤浸润的肥大细胞中TNF⁺/VEGFA⁺细胞比例明显高于其他癌种，提示鼻咽癌肿瘤中浸润的肥大细胞可能具有更强的抗肿瘤特性，相应的临床生存分析进一步支持了这一结论。随后，通过NicheNet及CellPhoneDB对细胞间相互作用网络进行分析，研究人员推测鼻咽癌肿瘤内部富集的IL1B⁺巨噬细胞可以通过IL1B-ADRB2间的相互作用诱导肥大细胞的抗肿瘤特性。

其次激活态的LAMP3⁺ cDC广泛存在于多种肿瘤内

    与胃癌研究结果相似，研究人员发现LAMP3⁺ cDC细胞广泛存在于其他14个癌种中，并可以根据其发育起源分为cDC1来源的和cDC2来源的LAMP3⁺ cDC。通过深入分析来源不同的LAMP3⁺ cDC在转录组上的差异，研究人员进一步刻画了这两类LAMP3⁺ cDC在形成过程中所接受的外界信号的差异，以及这两类LAMP3⁺ cDC呈现的不同功能特征。例如，IL-4和IL-12β可以促进cDC1细胞分化为成熟的LAMP3⁺ cDC。这些cDC1来源的LAMP3⁺ cDC细胞又可以通过表达IL12B和BTLA，分别参与诱导Th1细胞和Treg的分化[9-10]。

再者肿瘤相关巨噬细胞在不同癌种内存在高度异质性

    通过对比不同癌种内髓系细胞亚群组成及转录组的相似性，研究人员发现巨噬细胞在不同癌肿内呈现高度异质性。特别地，不同类型癌症中均存在着上调促血管生成相关信号通路的巨噬细胞类群。尽管促血管相关TAM细胞在不同癌种内呈现不同的特征标记基因（结直肠癌、肺癌等：SPP1⁺ TAM；肾癌：FN1⁺ TAM；乳腺癌：VCAN⁺ TAM），转录组相似性分析表明这些促血管相关TAM细胞类群间仍具有较高的相似性，且该类群在多个癌种中与肿瘤患者较差的预后显著相关。这一结果表明靶向肿瘤相关巨噬细胞的免疫治疗方案尤其需要考虑其在不同癌种内的转录特异性。

北京大学生命科学学院博士后程斯进，北京大学生命科学学院博士毕业生李子逸（现上海交通大学医学院免疫学研究所博士后）为该论文的并列第一作者，北京大学肿瘤医院季加孚教授、步召德教授和北京大学BIOPIC和生命科学学院张泽民教授为该论文的共同通讯作者。北京大学肿瘤医院病理科林冬梅教授、肝胆胰外一科邢宝才教授、头颈外科张彬教授、泌尿外科杜鹏教授、妇科高雨农教授、胸外二科杨跃教授等对本文亦多有贡献。

【季加孚教授简介】

季加孚，胃癌外科专家，国际胃癌学会主席，中国抗癌协会副理事长，北京学者，是我国胃癌根治手术及化疗的引领者和开拓者，现任北京大学肿瘤医院院长、恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室主任。38年来致力于胃癌的规范、综合及个体化诊疗，系列创新性研究显著改善了胃癌的治疗效果。主编国内首部胃癌领域英文专著及首个SCI收录的肿瘤学期刊，并主持编写了我国首部胃癌临床指南及卫生部胃癌规范。作为第一完成人获得国家科技进步二等奖、何梁何利科学与技术进步奖、吴阶平-保罗·杨森医学药学奖等多项奖励。

【张泽民教授简介】

张泽民，北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）与北京未来基因诊断高精尖创新中心（ICG）研究员，北京大学生命科学学院讲席教授，长江学者，北大清华联合中心高级研究员。他的实验室目前正利用前沿的实验技术和生物信息学方法进行肿瘤及其微环境的异质性、耐药性、以及免疫细胞和肿瘤细胞的相互作用等方面的研究。2018年作为创始人建立百奥智汇科技有限公司，致力于挖掘单细胞基因组学和生物信息学在人类疾病诊断和治疗上的应用。

【参考文献】

1. Hanahan, D. and R.A. Weinberg, Hallmarks of cancer: the next generation. Cell, 2011. 144(5): p. 646-74.
2. Schmid, M.C. and J.A. Varner, Myeloid cells in the tumor microenvironment: modulation of tumor angiogenesis and tumor inflammation. J Oncol, 2010. 2010: p. 201026.
3. Engblom, C., C. Pfirschke, and M.J. Pittet, The role of myeloid cells in cancer therapies. Nat Rev Cancer, 2016. 16(7): p. 447-62.
4. Nakamura, K. and M.J. Smyth, Myeloid immunosuppression and immune checkpoints in the tumor microenvironment. Cell Mol Immunol, 2019.
5. Zhang, Q., et al., Landscape and Dynamics of Single Immune Cells in Hepatocellular Carcinoma. Cell, 2019. 179(4): p. 829-845 e20.
6. Sharma, A., et al., Onco-fetal Reprogramming of Endothelial Cells Drives Immunosuppressive Macrophages in Hepatocellular Carcinoma. Cell, 2020.
7. Azizi, E., et al., Single-Cell Map of Diverse Immune Phenotypes in the Breast Tumor Microenvironment. Cell, 2018. 174(5): p. 1293-1308 e36.
8. Zilionis, R., et al., Single-Cell Transcriptomics of Human and Mouse Lung Cancers Reveals Conserved Myeloid Populations across Individuals and Species. Immunity, 2019. 50(5): p. 1317-1334 e10.
9. Trinchieri, G., Interleukin-12 and the regulation of innate resistance and adaptive immunity. Nature Reviews Immunology, 2003. 3(2): p. 133-146.
10. Simon, T. and J.S. Bromberg, BTLA(+) Dendritic Cells: The Regulatory T Cell Force Awakens. Immunity, 2016. 45(5): p. 956-958.