14万细胞图谱绘出15种肿瘤的细胞“画像”，大规模单细胞测序分析或成趋势

近日，北京大学生物医学前沿创新中心、北京未来基因诊断高精尖创新中心张泽民课题组联合北京大学肿瘤医院步召德课题组和季加孚课题组，在《细胞》（Cell）上发表了题为“A pan-cancer single-cell transcriptional atlas of tumor infiltrating myeloid cells（泛癌种尺度下肿瘤浸润髓系细胞的单细胞转录图谱）”的研究论文。

此工作是首个泛癌种尺度下的单细胞肿瘤免疫图谱研究。课题组在单细胞水平对15个癌种内肿瘤浸润的髓系细胞图谱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。

本文主要结论

李子逸博士和程斯进博士对此工作进行了深入解读。

研究背景

我们课题组前期的研究发现，肝癌中存在一群抑制性的LAMP3⁺树突状细胞，能够高表达CCR7、CD40、CD80、PD-L1、PD-L2等与成熟、迁移及免疫调控相关的基因。

此外，肿瘤相关巨噬细胞在肠癌中可以被分为SPP1⁺ TAM和C1QC⁺ TAM两个细胞亚群，其中SPP1⁺ TAM被认为具有促进血管生成和肿瘤转移的功能，且其对靶向药物αCSF1R阻断型抗体的治疗不敏感。

基于以上发现，一个很容易被联想到的科学问题便是：这些新鉴定出的细胞类群是否会广泛地存在于其它类型的肿瘤组织中。

髓系细胞在肿瘤免疫治疗中的作用

肿瘤细胞在免疫学上的突出特点，是能够产生被免疫系统识别并诱发机体免疫应答的新抗原。

肿瘤细胞能够通过多种机制逃避机体免疫系统的识别和攻击，从而在体内生存和增殖。

如肿瘤细胞可以通过招募免疫抑制细胞和可溶性细胞因子等方式，塑造免疫抑制的肿瘤微环境，并由于遗传变异而逃避免疫系统的检查和清除过程，在抗肿瘤免疫应答的各阶段幸存下来。

肿瘤免疫治疗指的是通过激活患者自身的免疫系统来恢复正常的抗肿瘤免疫反应。

目前已有多种靶向药物，如PD-1、PD-L1及CTLA-4等免疫检查点的抑制剂抗体被批准用于临床治疗，但其适应症人群仍然比较受限。

除淋巴细胞外，肿瘤内的髓系细胞（myeloid cells）也是肿瘤免疫微环境的重要细胞成分之一，在肿瘤发生、发展（如炎症反应及血管生成等）过程中发挥着极为重要的作用。

因此，髓系细胞已成为临床研究中癌症治疗的热门靶细胞之一。

肿瘤浸润髓系细胞类群在

不同癌种内的特征图谱

泛癌种分析的关键点在于从差异中发现共性、从共性中找到差异。

在每个癌肿中，我们首先鉴定出三类主要的髓系细胞类群，即肥大细胞、树突状细胞及单核细胞/巨噬细胞。

通过对各癌种分别进行无监督聚类，我们对肿瘤浸润的髓系细胞类群进行了注释，并尽可能选择在多癌肿中共表达的特征基因作为细胞类群的标记基因。

最终，刻画出了一张肿瘤浸润髓系细胞类群在不同癌种内的特征图谱。

不同髓系细胞亚群在各癌种内的存在情况（下侧标注为不同的癌细种，右侧标注为不同的细胞亚群）

特定细胞类群

广泛存在于不同肿瘤组织

我们从不同癌种间的差异入手挖掘数据，发现鼻咽癌肿瘤浸润的肥大细胞中TNF⁺/VEGFA⁺细胞的比例明显高于其它癌种，而TNF⁺肥大细胞被认为具有激活树突状细胞和T细胞的抗肿瘤活性。

临床生存分析也表明，肥大细胞的存在仅在鼻咽癌中有利于肿瘤患者的预后。

肥大细胞仅在鼻咽癌中表现出对患者预后的有利效应

在对LAMP3⁺树突状细胞的分析中，我们首次验证了该细胞类群在各个癌种中均广泛存在。

此外，肿瘤中的LAMP3⁺树突状细胞会普遍上调PD-L1及CMTM6等免疫抑制相关的信号分子。

值得注意的是，虽然cDC1和cDC2这两群细胞都可以发育为LAMP3⁺细胞，但是其在成熟后仍然会保留部分细胞本身的分子特征。

基于此，我们得以对LAMP3⁺树突状细胞的发育来源加以区分，并鉴定出cDC1细胞的成熟可能依赖于IL-4和IL-12β，cDC2细胞的成熟则依赖于IL-15和干扰素等。

这些发现从发育、组成及功能等多个角度对LAMP3⁺树突状细胞在肿瘤中的重要功能提供了宝贵的线索。

进一步地，对比不同癌种内髓系细胞亚群的转录组后，我们发现虽然TAM细胞在不同癌种内表现出较高的异质性，但不同类型的肿瘤中均存在着一群具有促血管生成功能的巨噬细胞类群。

有趣的是，尽管不同癌种内这些细胞类群的特征标记基因不尽相同，但其转录组仍具有较高的相似性，且这种具有促血管生成功能的细胞类群在多个癌种中与患者的预后具有显著的负相关关系。

甲状腺癌和肾癌中分别存在着SPP1⁺和FN1⁺具有促血管生成功能的巨噬细胞

肿瘤免疫治疗的新策略

作为当今肿瘤治疗的热点，免疫治疗的临床应用因其更好的疗效和更低的副作用而得到了飞速的发展，这主要得益于基础免疫学、基因编辑和合成生物学领域的持续进步。

但遗憾的是，免疫治疗并不是对所有癌症患者都有效，且其可能带来的炎症风暴以及逐步凸显的耐药性问题都推动着科学界去发现新的治疗靶点。

因此，将免疫治疗与传统化疗联用或将多种免疫治疗措施组合对患者进行联合免疫治疗是扩大免疫疗法适应症及治疗效果的有效方案。

近年来，越来越多的研究表明，髓系来源的免疫细胞在肿瘤免疫微环境中发挥着核心作用。

髓系细胞，尤其是巨噬细胞，作为一种高度可塑性的细胞类群，其抗原呈递功能也是连接先天免疫与适应性免疫的桥梁。

靶向髓系细胞的免疫治疗与免疫检查点抑制剂的联合给药将有望成为极具前景的治疗策略。

本研究首次通过泛癌分析来系统性地对比各髓系细胞类群在不同癌种内组成和功能上的差异，为开发具有高肿瘤特异性的靶向髓系细胞的免疫治疗方案奠定了基础。

研究团队对鼻咽癌中肥大细胞抗肿瘤特性的研究，为通过靶向肥大细胞来对抗肿瘤的新策略打开了大门；对LAMP3⁺树突状细胞的发育来源及免疫抑制功能的分析也为免疫治疗提供了新的细胞及分子靶标。

未来工作的重要挑战

综上所述，本研究聚焦肿瘤浸润髓系免疫细胞，首次在泛癌种的尺度对其功能、发育来源及癌种特异性进行了解析，为未来开发新的免疫治疗策略提供了关键的线索和潜在的靶点。

虽然并未开发新的生物信息学分析算法，但是该研究充分地利用了现有的工具和方法，对大规模的单细胞数据进行了整合及深入分析，这也将成为未来单细胞数据分析的大趋势。

随着单细胞测序技术通量的进一步提高和测序费用的降低，针对同一类型样本的测序数据也会大规模地重复产生。

如何对这些来自不同实验室、不同测序平台的数据进行整合，去除其中的噪音和干扰，最终得到高质量和高稳定性的一致结果，将是该领域的重要挑战。

此外，在肿瘤免疫微环境领域，目前已产生了极大量的单细胞测序数据。

从这些数据中挖掘出对肿瘤发生、发展起到关键作用的细胞类群及细胞间相互作用关系；发现可以用于开发免疫治疗新药物的潜在靶点；找出可以对免疫治疗效果起到有效预测作用的关键分子特征，是生物信息学面临的全新机遇与挑战。