DSP空間轉(zhuǎn)錄組揭示非小細(xì)胞肺癌腫瘤內(nèi)異質(zhì)性并發(fā)掘空間分子標(biāo)志物

本研究回顧性納入18例接受雙特異性抗體（bsAb）治療的NSCLC晚期患者（aNSCLC），采用GeoMx® protein和CTA檢測(cè)方案，結(jié)合特定細(xì)胞類型的圈選策略（Segmentation），分別獲得了腫瘤區(qū)域和基質(zhì)區(qū)域蛋白組和轉(zhuǎn)錄組表達(dá)譜，在空間水平解析了瘤內(nèi)異質(zhì)性。通過比較分析不同療效組，不同組織區(qū)域蛋白和RNA差異表達(dá)特征，篩選并構(gòu)建了基于空間分子表達(dá)的Signature，可以作為用來預(yù)測(cè)免疫療法療效的生物標(biāo)志物。通過比較基質(zhì)區(qū)域和腫瘤區(qū)域中預(yù)測(cè)臨床療效的空間標(biāo)志物分子評(píng)分，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)區(qū)域的分子特征對(duì)治療反應(yīng)顯示出更大的預(yù)測(cè)能力。

 

文章詳情

文章題目：Spatial multi-omics revealed the impact of tumor ecosystem heterogeneity on immunotherapy efficacy in patients with advanced non-small cell lung cancer treated with bispecific antibody

中文題目：空間多組學(xué)研究揭示了腫瘤生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性對(duì)使用雙特異性抗體治療的晚期非小細(xì)胞肺癌患者免疫治療療效的影響

發(fā)表時(shí)間：2023.02

期刊名稱：Journal for ImmunoTherapy of Cance

影響因子：17

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：GeoMx DSP

doi：10.1136/jitc-2022-006234.

 

研究方法

圖1 人類HBV相關(guān)HCC中不同的成纖維細(xì)胞亞群

 

（1）樣本：來自18名接受KN046治療的晚期NSCLC患者的20個(gè)腫瘤樣本

（2）技術(shù)：GeoMx DSP

（3）檢測(cè)panel：

● 空間轉(zhuǎn)錄組檢測(cè)：GeoMx® CTA panel，包含腫瘤相關(guān)的1800種RNA； 

● 空間蛋白組檢測(cè)：4個(gè)GeoMx® 蛋白檢測(cè)模塊，包括：Immune Cell Profiling Core，Pan-Tumor Module，Immune Cell Typing Module和IO Drug Target Module，共包括44種靶標(biāo)蛋白和6種內(nèi)參蛋白； 

（4）感興趣區(qū)域（ROI）圈選方案：136個(gè)腫瘤 AOI和70個(gè)基質(zhì)AOI

通過細(xì)胞類型圈選方式進(jìn)行圈選區(qū)域：形態(tài)學(xué)標(biāo)記（panCK（上皮細(xì)胞），CD45（免疫細(xì)胞）, SYTO 13（細(xì)胞核））對(duì)組織進(jìn)行染色，識(shí)別和區(qū)分組織中的腫瘤細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞，獲得其各自表達(dá)譜；

 

研究結(jié)果

1. 通過DSP鑒定出瘤內(nèi)AOIs具有不同表達(dá)模式

為了評(píng)估瘤內(nèi)異質(zhì)性（ITH），研究者分析了每個(gè)樣本不同AOIs中蛋白質(zhì)和RNA的表達(dá)模式。結(jié)果顯示，同一樣本基質(zhì)細(xì)胞及腫瘤細(xì)胞RNA和蛋白的表達(dá)具有明顯差異，分為兩個(gè)獨(dú)立的聚類。研究人員推測(cè)空間上相鄰的腫瘤區(qū)域在分子水平上會(huì)有更高的相似性，為了證明該推測(cè)，研究人員對(duì)12個(gè)腫瘤樣本進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這12個(gè)樣本中，8個(gè)樣本中腫瘤AOIs的空間距離與分子聚類模式具有一致性，并且同一ROI中的腫瘤與間質(zhì)細(xì)胞的表達(dá)譜比不同區(qū)域的表達(dá)譜更相似。

Fig.1 腫瘤內(nèi)不同AOIs具有不同表達(dá)模式

 

2.腫瘤和間質(zhì)中免疫細(xì)胞類型和通路的特征

研究者構(gòu)建了肝癌小鼠模型，隨后對(duì)10個(gè)腫瘤小鼠進(jìn)行了單細(xì)胞分析，共聚類成10個(gè)細(xì)胞群。與人類HCC相似，小鼠HCC腫瘤含有大量的髓系細(xì)胞(~30%)，主要由巨噬細(xì)胞和MDSCs組成，還有少量的DC。為了進(jìn)一步鑒別成纖維細(xì)胞的異質(zhì)性，研究者從7個(gè)小鼠肝癌腫瘤的scRNA-seq分析中篩選出CAFs，并聚類成了7個(gè)亞群。并且在人類HCC腫瘤中發(fā)現(xiàn)的所有5種CAF亞型在小鼠HCC組織中也有表達(dá)。

Fig.2  腫瘤和基質(zhì)中的免疫細(xì)胞類型和分子通路分析

 

3. DSP標(biāo)記物的鑒定揭示ITH對(duì)篩選生物標(biāo)志物的影響

為了評(píng)估ITH對(duì)篩選與療效相關(guān)生物標(biāo)志物的影響，研究者通過DSP研究bsAb-KN046治療的療效。將每個(gè)腫瘤樣本的所有AOIs蛋白表達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，模擬整體測(cè)序數(shù)據(jù)，并與空間segmentation的結(jié)果進(jìn)行比較。共有18個(gè)DSP蛋白標(biāo)記物分別在間質(zhì)區(qū)和腫瘤區(qū)被鑒定出來，其中只有4個(gè)蛋白（CD45、CD4、CD4和CD11c）也在模擬測(cè)序數(shù)據(jù)中表達(dá)，并且4種蛋白在PR組中的表達(dá)增加。為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同區(qū)域內(nèi)蛋白的表達(dá)情況，研究者對(duì)PR組（n=3）和PD組（n=3）中基質(zhì)區(qū)4種蛋白（CD11c、Tim-3、CD45、CD4）進(jìn)行mIHC驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)區(qū)PR組上述4種蛋白的表達(dá)均顯著高于PD組。在不同免疫浸潤(rùn)反應(yīng)組的患者，也發(fā)現(xiàn)四種免疫細(xì)胞（CD4 T細(xì)胞，樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞）在PR組中豐度更高。

Fig.3  ITH對(duì)尋找與治療療效相關(guān)的候選生物標(biāo)志物的影響

 

4. 空間數(shù)據(jù)顯示基質(zhì)區(qū)域比腫瘤區(qū)域具有更大的臨床反應(yīng)相關(guān)性

考慮到ITH對(duì)免疫治療的反應(yīng)，研究者通過構(gòu)建療效相關(guān)的DSP蛋白標(biāo)記物的空間signature得分，評(píng)估間質(zhì)和腫瘤區(qū)域生物標(biāo)志物的臨床相關(guān)性。結(jié)果顯示，PD患者和PR患者在腫瘤區(qū)和間質(zhì)區(qū)的signature評(píng)分具有顯著差異。接下來，采用多因素Cox回歸分析了多種表征對(duì)臨床結(jié)果的影響，結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的腫瘤生物標(biāo)志物相比，間質(zhì)signature顯示出更強(qiáng)的臨床相關(guān)性。接下來研究者通過公共數(shù)據(jù)集中65例接受ICIs治療的NSCLC患者的基質(zhì)區(qū)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了空間signature的有效性。這些結(jié)果表明，來自基質(zhì)區(qū)域的分子在評(píng)估免疫治療的臨床療效方面可能具有更大的潛力。

Fig.4 構(gòu)建空間signature來預(yù)測(cè)對(duì)免疫治療的臨床反應(yīng)

 

研究結(jié)論

本研究利用GeoMx® DSP空間多組學(xué)技術(shù)，對(duì)不同療效組患者的不同組織空間區(qū)域中100多個(gè)ROI的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組信息進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，來自同一樣本的腫瘤區(qū)域和基質(zhì)區(qū)域表現(xiàn)出明顯的特征，從腫瘤或基質(zhì)區(qū)識(shí)別出的多個(gè)分子與治療反應(yīng)相關(guān)，并進(jìn)一步篩選提供了18個(gè)候選蛋白，其表達(dá)特征可以作為預(yù)測(cè)PD1/PD-L1和CTLA-4雙特異性抗體（bsAb）免疫療法療效的生物標(biāo)志物。此外，通過比較基質(zhì)區(qū)域和腫瘤區(qū)域中預(yù)測(cè)臨床療效的空間標(biāo)志物分子評(píng)分，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)區(qū)域的分子特征對(duì)治療反應(yīng)顯示出更大的預(yù)測(cè)能力。 

 

參考文獻(xiàn)：

Song X, Xiong A, Wu F, et al. Spatial multi-omics revealed the impact of tumor ecosystem heterogeneity on immunotherapy efficacy in patients with advanced non-small cell lung cancer treated with bispecific antibody. J Immunother Cancer. 2023;11(2):e006234. doi:10.1136/jitc-2022-006234