發現隱藏在結直腸腫瘤中的免疫細胞“中樞”

　　人體內的腫瘤就像一座戰爭中的城市，充斥著癌細胞、免疫細胞、血管、信號分子和周圍組織。對這些參與者的簡單普查將提供一些關于它們之間發生戰斗的基本信息，但不會揭示它們在戰斗中采取的戰略或空間排列。

　　在一項新的研究中，來自美國布羅德研究員、麻省理工學院、哈佛醫學院和布萊根婦女醫院的研究人員對采取的這種空間排列有了新的認識。他們發現，一些人類結直腸腫瘤中的免疫細胞聚集在一起，就像士兵在編隊時的動員。通過使用單細胞分析和成像技術的獨特組合，以及新開發的數據分析方法，他們發現了以前在腫瘤中沒有觀察到的細胞空間排列水平。相關研究結果發表在2021年9月2日的Cell期刊上，論文標題為“Spatially organized multicellular immune hubs in human colorectal cancer”。

　　這些研究結果指出在某些類型的結直腸腫瘤中，相互作用的免疫細胞網絡（或者說中樞）往往更容易被免疫系統“看到”。這表明含有這種免疫細胞網絡的結腸癌可能更有可能對刺激免疫系統殺死癌細胞的抗癌藥物（稱為免疫療法）產生反應。這項研究可能闡明了如何使其他腫瘤對這類治療更有反應。

　　論文共同通訊作者、哈佛醫學院教授Nir Hacohen說，“通過分析結直腸腫瘤中每個細胞的活動，我們能夠傾聽細胞之間的對話，并辨別出我們以前看不到的細胞空間排列或者說結構。”其他的論文共同通訊作者是哈佛醫學院副教授Ana Anderson、布羅德研究所核心成員Aviv Regev、布羅德研究所卡拉曼細胞觀察臺單細胞基因組學高級主任Orit Rozenblatt-Rosen。

　　具有不同免疫反應的腫瘤

　　在遺傳和分子水平上，結直腸癌可以分為兩種類型。錯配修復缺陷（MMRd）的結直腸腫瘤不能正確修復細胞分裂時發生的DNA錯誤，導致癌細胞突變的積累。這類腫瘤往往對新的免疫療法有反應。另一方面，錯配修復能力強（MMRp）的結直腸腫瘤不會積累那么多的突變，對現有免疫療法的反應也不理想。

　　論文共同**作者、Regev實驗室和Hacohen實驗室的博士后研究員Karin Pelka、Matan Hofree和Jonathan Chen希望探究MMRd和MMRp結直腸腫瘤中免疫細胞功能的差異。他們從尚未接受任何治療的患者身上收集了34個MMRd結直腸腫瘤和29個MMRp結直腸腫瘤。利用布羅德研究所的云計算能力，他們分析了來自這些腫瘤的近40萬個細胞，使用單細胞RNA測序對其進行分析，這使他們能夠確定哪些基因在每個細胞中表達。

　　Anderson說，“像腫瘤這樣的復雜系統需要一個由具有不同專業知識的研究員組成的團隊來承擔研究其細胞空間排列所面臨的挑戰。與多個機構的協作團隊合作，是我們能夠進行這項獨特的研究，并對免疫細胞在腫瘤中的空間排列方式達成新的看法。”

　　在此之前，科學家們已經使用這類數據將細胞聚類為不同的類別，然后描述每種細胞類別的基因表達模式。然而，Hacohen、Regev、Pelka、Hofree和Chen開發了一套新的數據分析方法，以研究更細微的基因活性程序，以及不同細胞中的程序如何相互連接和協調。

　　利用這些新的分析工具，這些作者發現特定的基因程序和細胞類型只存在于MMRd結直腸腫瘤中，而MMRd結直腸腫瘤對免疫療法的反應更強烈。此外，只有部分的MMRD結直腸腫瘤顯示出與抗腫瘤免疫有關的細胞活性和基因程序。

　　免疫活動中樞

　　這些作者隨后尋找在不同類型的細胞中相互協調的基因程序---當一個基因程序的表達上升或下降時，另一個基因程序也會協同變化。Pelka說，“我們意識到，了解結直腸腫瘤的各個部分和細胞類型并不能告訴我們整個故事。我們需要了解每個細胞在做什么，以及這些細胞是如何相互協作的。”

　　該分析顯示，惡性腫瘤細胞和兩種類型的免疫細胞---T細胞和髓樣細胞（myeloid cell）---可能在相互作用，并開啟了特定的基因程序。為了了解開啟這些基因程序的細胞在腫瘤內是如何在空間中排列的，這些作者在顯微鏡下分析了患者的腫瘤樣本，重點關注開啟這些基因程序的T細胞和癌細胞之間的相互作用。這使他們能夠專注于深入腫瘤內部的免疫細胞集群中樞。Regev說，“觀察不同細胞類型中的共同變化程序為這個復雜的腫瘤生態系統提供了一個全新的視角。”

　　這些作者還注意到，與MMRp結直腸腫瘤相比，MMRd結直腸腫瘤（對免疫療法反應更好）中的免疫細胞集群中樞出現率更高。他們假設，這些集群中樞可能參與了結直腸腫瘤對治療的反應。

　　Hofree說，“令人震驚的是，我們用計算分析預測的一些最強的相互作用信號是實際上可以觀察到的空間排列的免疫細胞樞紐。”

　　Chen說，“事實證明，這些腫瘤中的免疫細胞是**空間排列的，而不是分散在各處。特別是當我們觀察MMRd結直腸腫瘤時，這些清晰的結構包含了活躍的免疫細胞。”

　　這些作者如今正計劃進行研究，使用相同的方法來跟蹤結直腸腫瘤中的免疫細胞如何在免疫療法治療期間改變它們的基因表達模式和彼此之間的交流。Rozenblatt-Rosen說，“我們希望這項研究為未來研究提供一個框架，以探究癌癥中的細胞空間排列。”