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Nature Genetics项目文章 | 多组学联合分析解析非小细胞肺癌新辅助免疫化疗耐药相关因素

发布时间：2024-12-27 11:15:36

近日，研究者们在Nature Genetics杂志上发表了题为“Multi-omic profiling highlights factors associated with resistance to immuno-chemotherapy in non-small-cell lung cancer”的文章，该研究利用单细胞转录组、bulk转录组以及空间转录组测序，结合多色免疫荧光系统描绘了非小细胞肺癌（NSCLC）的肿瘤微环境在新辅助免疫治疗中的动态变化，鉴定出新的生物标志物并阐述了耐药的新机制。

本研究中使用新格元单细胞转录组(GEXSCOPE)建库试剂盒完成细胞分离、核酸捕获与文库构建，使用新格元CeleScope (https://github.com/singleron-RD/CeleScope)开源软件完成测序下机数据定量。

下面和元小新一起来看一下单细胞如何助力探索非小细胞肺癌新辅助免疫化疗耐药相关因素的内在机制。

研究背景

新辅助免疫化疗是临床上一种新的治疗非小细胞肺癌（NSCLC）的有效手段，甚至显示出比单独使用免疫检查点阻断（ICB）治疗更大的效果，其平均响应率为32%。但是，许多NSCLC患者对接受新辅助免疫化疗依然存在耐药性，且这种耐药性的分子机制仍有待研究。

思维导图

主要研究结果

1.使用scRNA-seq分析ICB化疗前后NSCLC组织的细胞和分子特征

这项研究中，研究者们选取了19名NSCLC患者在抗PD-1和化疗新辅助治疗前后一共26个肿瘤样本进行单细胞测序来揭示ICB-化疗前后NSCLC的内在变化。按照病理学评估，将患者分为治疗响应者和耐药者两组，分别包含了6名患者和13名患者。这些患者样本总共获得了232,080个单细胞转录组的数据，在进行分群聚类和注释后，分成了包含上皮细胞、内皮细胞、T细胞、B细胞、中性粒细胞以及DC细胞等在内的多个大群（图1c）。在此基础之上，还对T细胞、B细胞、单核/巨噬细胞、CD31-基质细胞、内皮细胞和上皮细胞进行了进一步的亚群细分（图1d,e）。研究者们通过InferCNV根据拷贝数变异将上皮细胞区分为恶性细胞和正常细胞（图1e），进一步地，在ICB-化疗后响应者中，恶性细胞基本被清除，而在耐药组中恶性细胞依然大量残留（图1e）。此外，研究者们进一步分析了其他细胞类型在治疗前后的变化，他们发现，在免疫细胞群体中，与治疗前相比，耐药组呈现出单核/巨噬细胞和DC细胞比例增加（图1f）；而在CD31-基质细胞群中，COL11A1+CAF细胞在耐药组中的比例显著高于响应组（图1g）。这些研究结果表明，包括单核/巨噬细胞、DC细胞以及COL11A1+CAF细胞在内的这些细胞亚群对于影响ICB-化疗耐药中发挥了潜在作用。

图1. scRNA-seq揭示ICB化疗前后NSCLC组织的细胞和分子特征

2.癌症细胞的细胞状态可能决定对ICB-化疗的反应

肿瘤的转录表达异质性是肿瘤发生、发展、转移和治疗耐药的基础，而基因模块是定义细胞状态的关键特征。于是，研究者们通过Harmony对单细胞数据进行进一步分析，将这些细胞分为14个不同的亚群，并通过基因富集分析和高表达标记物进行注释（图2a,b）。研究者们将细胞状态聚类成两组，一组为包括干扰素、肺泡、雌激素、细胞外基质和凝血细胞状态；另一组包括鳞状、NRF2靶点和细胞周期相关状态（图2c）。一些癌细胞状态评分（如缺氧、鳞状、细胞周期NRF2靶点和Myc靶点评分）与TCGA-LUDA队列患者的不良生存相关（图2d）。相反，包括凝血、肺泡、细胞外基质，雌激素和IFN在内的癌细胞状态与延长生存期相关。

为了研究癌细胞状态在治疗中的作用，研究者使用单细胞转录组测序数据比较了免疫治疗期间癌细胞的状态评分。研究者发现与治疗前响应者相比，治疗前耐药者的NRF2靶点评分显著更高，而IFNγ评分则呈现相反趋势（图2e）。这表明癌细胞的生物学特征可能影响免疫治疗的临床结果。使用DSP数据，研究者检查了治疗前的肿瘤细胞状态。与细胞状态评分类似，IFNγ和NRF2靶点的相关基因分别在响应者和耐药者中显著富集（图2f,g）。研究者进一步探索了这两种细胞状态与其他细胞类型之间的空间关系（图2h），IFNγ评分显示出正相关，而NRF2靶点评分则与邻近免疫细胞的比例呈负相关（图2h,i）。

图2. 癌症细胞的细胞状态可能决定对ICB-化疗的反应

结论

在本研究中，研究者在非小细胞肺癌样本中识别了14种不同的癌细胞状态。治疗前样本中与NRF2靶点和IFNγ相关的肿瘤细胞状态分别与ICB-化疗的不良和良好反应相关。已有报道表明NRF2激活促进肺癌肿瘤发生，导致多药耐药并与不良预后相关。NRF2通路的激活与肿瘤床中CD3+CD8+ T细胞浸润减少相关。与此一致，在研究者的数据中，NRF2靶点细胞状态评分与免疫浸润呈负相关。这一发现强调了NRF2通路激活作为潜在耐药因素的重要性，它可能破坏非小细胞肺癌对ICB-化疗反应中的肿瘤-免疫相互作用。相反，促炎性IFNγ通路可能参与促进细胞毒性免疫细胞浸润和癌症清除，导致良好预后。

总之，这项研究提供了非小细胞肺癌在新辅助ICB-化疗前后肿瘤微环境的高分辨率空间细胞和分子图谱。通过单细胞和空间转录组分析，研究者识别出不同的肿瘤细胞特征和微环境组分，它们在对治疗的反应中表现出显著的异质性和动态变化。这些结果强调了靶向肿瘤微环境多个组分（包括成纤维细胞、巨噬细胞和TLS）的治疗潜力，并为开发联合治疗提供了新的方向。

参考文献

Peng Zhang et al. Multi-omic profiling highlights factorsassociated with resistance to immuno-chemotherapy in non-small-cell lung cancer. Nat Genet. 2024 Dec 10. doi: 10.1038/s41588-024-01998-y.

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