在检查点诱导性结肠炎中追踪原位检查点抑制剂结合靶标T细胞

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检查点抑制剂 T细胞 结肠炎 单细胞转录组学 空间转录组学 免疫相关不良事件

追踪原位检查点抑制剂结合靶标T细胞

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学术背景

检查点抑制剂（Check Point Inhibitors，CPI）已在癌症治疗中发挥革命性作用，通过阻断由检查点分子介导的免疫调节信号，恢复T细胞介导的癌细胞清除功能。然而，这些疗法也导致了一系列免疫相关的不良事件（immune-related adverse events，IRAEs），其中胃肠道炎症最为常见，约60%的患者受到影响。尽管肠道、皮肤和关节的IRAEs与改善癌症生存率相关，但其导致的严重副作用对医疗负担的增加不容忽视。尽管目前尚不完全清楚IRAEs的具体免疫发病机制，但可能是由于与自身抗原或共生微生物反应的T细胞激活失调引起的。

CTLA-4（细胞毒T淋巴细胞相关抗原4）、PD-1（程序性细胞死亡蛋白1）及其配体PD-L1是CPI靶向的主要免疫检查点，其在T细胞中的表达随激活而增加。CTLA-4与CD28竞争共刺激配体CD80和CD86，PD-1则与其配体PD-L1和PD-L2结合，进行抑制性T细胞受体（TCR）信号传导。这些效应通过促进T细胞耗竭，抑制T细胞介导的癌症清除能力。抗CTLA-4和PD-1通过逆转这一效应，恢复T细胞对肿瘤抗原的反应能力。CPI介导的IRAEs被认为是由相同的原理驱动的。

研究来源

此论文由Tarun Gupta、Agne Antanaviciute、Chloe Hyun-Jung Lee等作者共同执笔，他们隶属牛津大学分子医学MRC Weatherall学院、牛津大学附属John Radcliffe医院的转化免疫发现单位，该研究于2024年5月13日发表于《Cancer Cell》期刊，论文的标题为”Tracking in situ checkpoint inhibitor-bound target T cells in patients with checkpoint-induced colitis”。

研究详细内容

研究流程

研究中，作者们利用多模态单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing，scRNA-seq）和子细胞空间转录组学（spatial transcriptomics，ST），对接受CPI并发展结肠炎的患者的血液和肠道组织中的CPI结合T细胞进行追踪，研究其在结肠炎中的作用。

  1. 构建单细胞参考图谱（atlas）：
    • 样本来源包括接受CPI单疗法（anti-PD-1，nivolumab或pembrolizumab）和双疗法（anti-PD-1和anti-CTLA-4，ipilimumab）的结肠炎患者的结肠组织和外周血单核细胞（PBMC）样本，以及健康对照组、未发展结肠炎的CPI患者和非CPI治疗的炎症对照（溃疡性结肠炎（UC））。
    • 单细胞图谱涵盖了72位供体的186,838个细胞，细胞类型包括上皮、间质和免疫细胞的亚群。
    • 聚类分析识别了包含结肠中预期的多种细胞类型，特别是在CPI-结肠炎样本中，发现了特定的“激活”成纤维细胞群体及表型转变的上皮、神经胶质、内皮和巨噬细胞。
  2. 进行空间转录组学分析：
    • 包括来自16位供体的18个组织切片，通过整合25,672个组织覆盖的ST点，揭示了19个联合空间区域，这些区域按解剖部位或代表性细胞类型富集标注。
    • 发现共同存在的细胞类型，声称反映了结肠组织结构，如顶端隐窝细胞和深隐窝细胞等。
    • 通过更高分辨率的子细胞ST数据进行进一步分析，捕获所有关键细胞群体，包括传统难以捕捉的中性粒细胞和细胞细分。
  3. 检测CPI结合的单细胞：
    • 总共测序了72,561个结肠活检的CD3+ T细胞和36,176个配对外周血单核细胞(PBMCs），可追踪结肠和外周血中的T细胞克隆。
    • 通过CITE-seq分析显示与非CPI治疗对照样本相比，大部分CPI-结肠炎样本中PD-1抗体结合减少，以及PD-1 mRNA与蛋白检测的相关性降低。
    • 用量子回归随机森林模型预测非CPI治疗样本中的PD-1表达，分析并识别可能的CPI结合细胞。
  4. 比较结肠炎样本的T细胞状态：
    • 发现CPI结合的主要为CD4+ T细胞（包括Tregs、TFH、TH17等）和特定的CD8+ T细胞群体。

主要结果

研究揭示了CPI结合靶细胞在炎症和非炎症组织中的分布特点，并定义了导致结肠炎的致病性细胞微域，以及这些微域与UC的异同。

  1. 多模态分析确定病因和途径：
    • CPI结合的T细胞主要为CD4+ T细胞（包括周边辅助T细胞、卵泡辅助T细胞、调节性T细胞）。
    • IFN-γ CD8+ T细胞来自组织驻留记忆（TRM）和周边群体，显示更受限制的靶标占有率，并与缺乏有效调控信号的受损上皮微域共定位。
    • cpi结合的CD4+ TH17细胞是结肠炎的主要IFN-γ来源。
  2. 揭示T细胞在不同组织中的特定分布：
    • 发现T细胞各亚群在结肠炎患者组织中与上皮细胞共定位，并与巨噬细胞表达Cxcl13的非CPI结合T细胞增加。
  3. 空间分析细化了靶标微域特征：
    • 通过标记CPI靶细胞并进行高分辨率空间转录组学分析，检测到CPI靶细胞在筋膜层和免疫浸润丰富的区域中比例增加。这丰富了关于CPI引起的T细胞活化和迁移模式的理解。

结论

该研究利用多模态单细胞RNA测序和空间转录组学，全面解析了CPI结合的T细胞在结肠炎中的分布特征及其致病机制。针对CPI结合的T细胞，研究揭示其在疾病发生中的作用，并与非CPI治疗的炎症控制机制进行了对比。这些发现不仅提供了关于CPI相关结肠炎的病理机制的深刻见解，还为未来改进CPI疗法的副作用管理提供了新的思路。

研究亮点：

  1. 重要发现：
    • 确定了结肠炎中CPI结合的特定T细胞亚群及其致病性微域。
  2. 研究方法的创新性：
    • 结合多模态单细胞RNA测序和高分辨率空间转录组学技术，揭示了CPI治疗相关的结肠炎的分子机制。
  3. 科学与应用价值：
    • 为精准医疗中的CPI治疗副作用管理提供了新的靶点和策略。

该研究的深入探讨和技术创新为癌症免疫治疗副作用的机制研究提供了重要基础，未来可以在临床诊断和治疗优化中发挥关键作用。