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腫瘤微環(huán)境評估促進進展期胃癌免疫檢查點精準治療
這片文章發(fā)表在Journal for Immunotherapy of Cancer雜志上，該雜志在最近一年的影響因子: 13.751，比上一年增加了3.838。中科院大類: 醫(yī)學(xué) 2區(qū)。中科院小類: 2區(qū) 免疫學(xué)。
背景知識：免疫檢查點阻斷(ICB)在少數(shù)轉(zhuǎn)移性胃癌(MGC)患者中持續(xù)有效。作者開發(fā)了一個開源的TMEcore R包，以量化腫瘤微環(huán)境(TME)，以幫助解決這一困境。兩個進展期胃癌隊列(RNAseq，N=45和NanoString，N=48)和其他進展期胃癌(N=534)接受ICB治療，以研究TMEScore的預(yù)測價值。同時，來自胃腺癌癌癥基因組圖譜(TCGA-STAD)和亞洲癌癥研究小組(ACRG)的多組學(xué)數(shù)據(jù)被詢問以尋找潛在的機制。
發(fā)現(xiàn)問題：免疫檢查點阻斷(ICB)應(yīng)答的決定性生物標志物尚不清楚。
結(jié)果解讀：
為了優(yōu)化TME評估以實現(xiàn)更有效的臨床應(yīng)用，作者在6個ICB數(shù)據(jù)集中進行了特征工程，并將TMEscore signature基因從244個減少到44個。正如以前的研究表明，與ICB治療反應(yīng)負相關(guān)的基因在免疫排斥表型（EMT/轉(zhuǎn)化生長因子-β通路）中富集，而免疫相關(guān)基因與療效呈正相關(guān)（figure 1A）。在幾個GC隊列中，作者發(fā)現(xiàn)44個基因的TME值與先前測量的244個基因的TME值之間存在一致且密切的關(guān)聯(lián)。值得注意的是，TME評分能夠作為免疫治療準隊列的預(yù)后生物標志物(figure 1B)。在接受抗PD-1免疫治療的晚期GC隊列中，TME評分產(chǎn)生了最高的AUC(AUC=0.891)，超過了其它流行的生物標志物，包括MSI狀態(tài)，TME，CPS和EB病毒感染（AUC=0.708, 0.672, 0.817, and 0.708）(figure 1C)。另外，TME評分與幾種基于轉(zhuǎn)錄的預(yù)測對應(yīng)物，綜合基因表達譜評分(GEP)、免疫評分、CD8+T效應(yīng)評分和泛成纖維細胞轉(zhuǎn)化生長因子-β反應(yīng)特征(PAN-F-TBR)相比，TME評分也是最高的(figure 1D)。作者進一步利用NanoString nCounter 平臺和從48例多中心進展期胃癌患者接受ICB前的基線腫瘤組織中分離的RNA，去進一步測定TMEcore基因在腫瘤微環(huán)境中的表達。顯然，TME評分達到了AUC=0.877的總體準確度，高于其它流行基因signature的預(yù)測值 (figure 1E,F)。與作者先前的研究一致，退行性腫瘤 (完全緩解(CR)/部分緩解(PR))的TMEscoreA評分明顯高于穩(wěn)定和進展期腫瘤(進展性疾病(PD)/穩(wěn)定期疾病(SD))，TMEscoreB與晚期GC的治療效果呈負相關(guān)(figure 1F)，暗示間質(zhì)激活是ICB耐藥的重要機制。TMEscoreB (基質(zhì)相關(guān))基因是更精確的生物標志物，與治療耐藥性顯著相關(guān)，而TMEscoreA (免疫相關(guān))基因在少數(shù)無反應(yīng)者中高表達(figure 1G,H)。
為了提供一個準確的圖來理解TMEScore在單一和聯(lián)合免疫治療中的表現(xiàn)，作者進一步研究了48名胃癌患者的NanoString結(jié)果。PD-L1的表達相對于進展期的患者，主要集中在子集(CR/PR)中，而不是進展期中(figure 2A–C)。PD-L2和TIM3在無反應(yīng)的腫瘤中顯著升高，這表明其他相應(yīng)或旁路檢查點通路的上調(diào)可能抵抗PD-1阻滯劑(figure 2B–D)，其機制可能是誘導(dǎo)間質(zhì)激活和T細胞排斥。此外，據(jù)報道，SYNPO在CAF激活過程中上調(diào)，這是ICB抗性的關(guān)鍵機制。ICB單一療法治療進展期胃癌的臨床益處有限，最近的臨床試驗表明，ICBs與化療、抗血管靶向治療或其他分子靶向治療如CHECKMate-649相結(jié)合可顯著改善治療結(jié)果。大多數(shù)ICB相關(guān)基因和免疫相關(guān)基因與單一免疫治療反應(yīng)呈正相關(guān) (figure 2E,F)。而在聯(lián)合治療亞群中，尤其是與免疫激活相關(guān)的標志物，其預(yù)測效果明顯下滑(figure 2G,H)。然而，TME分數(shù)在這兩組中仍然擁有強大的預(yù)測能力?？赡軞w因于協(xié)同治療過程中基質(zhì)激活所施加的最重要的影響。在協(xié)同治療中，PD-L2和TIM3的表達也顯示出相似的趨勢。它們在進展期患者中的上調(diào)提示了在形成腫瘤免疫逃避中潛在的關(guān)鍵分子特征(figure 2G,I)。這也暗示了免疫檢查點相關(guān)基因的同步上調(diào)的存在，提示這一亞群患者可能在PD-L2或TIM3治療中受益。
為了系統(tǒng)評價TMEScore在晚期胃癌中的預(yù)測價值和潛在機制，作者對接受培溴利珠單抗搶救治療的晚期胃癌患者的多個組學(xué)數(shù)據(jù)進行了綜合分析。與單獨使用TME(AUC=0.921)評分相比，TME評分與TMB或CP(AUC值分別為0.964、0.973)相結(jié)合，觀察到AUC值略有升高。盡管在成對比較中沒有觀察到統(tǒng)計上的顯著差異。在Kim隊列中，TME值與腫瘤體細胞突變和組織學(xué)亞型無關(guān)(figure 2J,K)。然而，當提到與ICB反應(yīng)相關(guān)的一些生物標志物的水平時，如腫瘤PD-L1的表達分別用CPS、MSI狀態(tài)和EBV感染來評估(figure 2L–N)。作者的分析表明，與腫瘤固有基因組特征相比，TME評分可以作為預(yù)測晚期胃癌ICB反應(yīng)的可靠生物標志物。作者描述了使用抗PD-1免疫療法治療的轉(zhuǎn)移性胃癌患者的TME特征評分、臨床病理特征和分子特征，以調(diào)查可能與ICB治療效果相關(guān)的因素。作者觀察到，應(yīng)答較好的患者更有可能擁有EBV和MSI-H分子亞型，但很少富含染色體不穩(wěn)定(CIN)、基因組穩(wěn)定(GS)和EMT分子亞型（figure 3A）。與作者最近在TCGA-STAD和ACRG隊列中的研究一致，MSI-H和EBV亞型患者的TME值明顯高于CIN和GS (figure 3B) 。提示TME值的預(yù)測性主要歸功于分子表型分層。接下來，作者檢查了EBV和MSI-H分子亞型分層患者的基因signatures和流行生物標志物的預(yù)測能力，據(jù)報道，它們表明對ICBS有更好的反應(yīng)。ROC分析顯示，TME值(AUC=0.895)對EBV和MSI-H分子亞型的預(yù)測優(yōu)于MSI狀態(tài)、TMB、CPS、EBV狀態(tài)、GEPs、ImmuneScore、Pan-F-TBR和免疫檢查點。為了驗證上述發(fā)現(xiàn)，作者在兩個大型多組學(xué)GC隊列中進行了相同的統(tǒng)計分析。接下來，作者將重點放在TCGA-STAD隊列上，并分析其臨床特征(figure 3C)。在低TME值組中，MSI和EBV亞型大部分缺失，而在TME值高組中，MSI和EBV亞型占據(jù)了很大的比例（figure 3D）。作者的分析表明，在ACRG隊列中，EBV感染的腫瘤與MSI-H腫瘤的TME值相當（figure 3E)。在TCGA隊列中，其TME值甚至高于MSI-H腫瘤（figure 3F) 然而，在TCGA-STAD和ACRG隊列中，腫瘤突變計數(shù)仍然明顯低于MSI-H腫瘤（figure 3G,H) 作者還注意到，在TCGA隊列中，與MSI-H的GC相比，EBV感染腫瘤中的新抗原載量明顯降低（figure 3I)。相關(guān)分析顯示，在兩組數(shù)據(jù)中，TME值與腫瘤突變負荷呈正相關(guān)（figure 3J）?？傮w而言，在Pan- Caner隊列中，EBV亞型保持在低水平的TMB和新抗原水平，這種新抗原與具有較高的TME值和免疫相關(guān)signatures有關(guān)。先前的研究表明，胃癌患者接受ICBS治療時，EBV感染以及MSI-H表型的患者從ICB治療中受益的可能性增加。這些觀察進一步證實了TMB作為一種廣泛使用的預(yù)測生物標志物無法識別具有EBV亞型的GC患者和具有病毒感染的腫瘤患者。正如預(yù)期的那樣，TME分可以識別TCGA-STAD和ACRG隊列中所有患者的EBV和MSI亞型，準確率明顯高于TMB、GEP、1Pan- F- TBRs、和免疫檢查點評分（figure 3K）。
體細胞基因突變可改變癌細胞對T細胞的易感性及T細胞免疫治療。在兩個大的患者隊列中，作者試圖揭示腫瘤治療反應(yīng)的免疫基因組決定因素和GC的腫瘤免疫微環(huán)境激活。用Wilcoxon檢驗和Fisher’s精確檢驗鑒定與TMEScore相關(guān)的突變（figure 4A）。作者的分析強調(diào)了ARID1A和PIK3CA的突變(figure 4A)。作者發(fā)現(xiàn)無論是用連續(xù)性評估還是二進制評估(figure 4B,C)，ARID1A和PIK3CA與TCGA-STAD隊列中的TMEScore水平顯著相關(guān)，這在ACRG隊列中得到了驗證。同時，將TMB分為高TMB組和低TMB組(截斷值=400，)，分析TME評分與ARID1A或PIK3CA突變的關(guān)系。在低TMB組中，攜帶ARID1A或PIK3CA突變的患者TME值顯著升高。然而，在高TMB組中沒有觀察到明顯的趨勢。上述結(jié)果表明，在低TMB條件下，ARID1A和PIK3CA突變都與TME活化有關(guān)，而在高TMB條件下，ARID1A和PIK3CA突變的影響可能被大量突變導(dǎo)致的新抗原增加進一步激活TME的現(xiàn)象所掩蓋。PIK3CA是所有實體瘤中最常見的突變癌基因。ARID1A缺乏癥也是多種惡性腫瘤中的一種常見突變，已有報道導(dǎo)致錯配修復(fù)受損(MMR)、突變增加和微衛(wèi)星不穩(wěn)定的基因組特征，并可能與抗PD-L1治療協(xié)同作用。值得注意的是，作者進一步調(diào)查了特定的突變位置，以確定在二進制TMEScore設(shè)置中突變頻率最高的重復(fù)突變，以便通過trackViewer可視化結(jié)果。有趣的是，在TME值高的腫瘤(figure 4D)，ARID1A突變的p.D18550Tfs*33和p.F2141Sfs*59被突出顯示(figure 4D)。并且與TMEScore水平密切相關(guān)進 (figure 4E)。具有PIK3CA的p.E545K和p.H1047R突變的胃癌在high-TMEscore組中顯著富集。然而，盡管突變型和野生型之間存在顯著差異，但在連續(xù)的TME值中觀察到的統(tǒng)計差異是有限的。最近的兩項研究表明，信號通路的突變可以作為免疫治療的生物標志物，并提示了聯(lián)合治療的機會。目前的研究表明，通路突變主要來源于MSI分子亞型(figure 4F)。并且在高TME分數(shù)組中，幾乎所有的通路都有顯著的突變積累(figure 4F)。然而，根據(jù)先前的結(jié)果，與GS和CIN亞型相比，EBV亞型中也觀察到了更高的PI3K途徑突變頻率，這表明EBV感染和PI3K信號通路之間存在潛在的相互作用，這可能部分解釋了EBV感染患者TME值顯著增加的原因(figure 3F)?？傊?，胃癌TME的大量數(shù)據(jù)分析闡明了ARID1A和PIK3CA突變狀態(tài)的評估可作為胃癌免疫治療策略的潛在生物標志物。
考慮到在不同的ARID1A突變狀態(tài)下觀察到的有趣的代謝規(guī)律，我們進一步探索了轉(zhuǎn)錄圖譜，并剖析了影響TME評分關(guān)鍵預(yù)測能力的潛在內(nèi)在機制。代謝特征通過PCA方法進行估計，并在TCGA-STAD隊列中進行全面研究。相關(guān)分析表明，高TME值組犬尿氨酸代謝、嘌呤代謝和半胱氨酸代謝被激活，而低TME值組糖原代謝、轉(zhuǎn)硫和甘氨酸絲氨酸代謝顯著上調(diào)。(figure 5A,B) 統(tǒng)計分析表明犬尿氨酸代謝與高TME值和免疫治療-有利的分子亞型（包括EBV和MSI-H）密切相關(guān)（figure 5C）。此外，還觀察到犬尿氨酸代謝下調(diào)，提示T細胞被排斥，這可能表明對ICB治療不敏感(figure 5E)。犬尿氨酸代謝過程可能是恢復(fù)腫瘤抑制T細胞免疫原性，從而提高ICB（如DO1抑制劑）治療胃癌療效。作者觀察到在TCGA-STAD隊列和ACRG隊列中，TME值低的腫瘤和免疫排斥分子亞型的糖原代謝被顯著激活(figure 5D)。這提示糖原代謝可能與免疫排斥表型密切相關(guān)。總之，作者確定了與TME相關(guān)的代謝特征和生物學(xué)過程的集合，這反映了TME的復(fù)雜性，并指出了潛在的聯(lián)合治療機會。
先前的一項研究表明，高m6A值意味著免疫排斥TME表型，間質(zhì)激活，存活率降低，新抗原載量減少，此后，作者試圖確定參與抗腫瘤免疫和腫瘤免疫編輯的表觀免疫調(diào)節(jié)，這可能是理解疾病中發(fā)生的炎癥反應(yīng)的基礎(chǔ)。對DNA甲基化位置格局的全面研究表明，VAMP8的去甲基化在低TME值的簇中富集，而ATG7的去甲基化在TME值高的簇中豐富(figure 5F–I)。差異甲基化基因的富集突出了VAMP8甲基化通過上調(diào)免疫途徑，壓縮白細胞活化調(diào)節(jié)途徑，蛋白質(zhì)膜定位，抗原加工和呈遞，包被囊泡和再循環(huán)內(nèi)體在TME調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的重要作用。這表明VAMP8在廣泛的信號通路中復(fù)雜的基因相互作用和串擾中起著關(guān)鍵作用。此外，ATG7去甲基化作為自噬的基因標志，與TMEScore顯著相關(guān)。進一步分析已發(fā)現(xiàn)的ATG7相關(guān)信號之間的關(guān)系(自噬的正調(diào)節(jié))表明，ATG7去甲基化是導(dǎo)致TME免疫排斥的原因之一，TMEcore B升高，TCGA-STAD和ACRG隊列中成纖維細胞浸潤。總而言之，DNA甲基化，例如VAMP8和ATG7的不同甲基化區(qū)域，可能提供一個了解TME和免疫活性測定的復(fù)雜性和多樣性的角度，此后可能有助于優(yōu)化免疫治療策略。
本文小結(jié)：
作者優(yōu)化了一個TME評估工具，它可以作為一個強大的生物標志物，并將其整合為一個開源的R包，以便進一步應(yīng)用于臨床實施。在兩個進展期胃癌隊列中驗證了TMEScore的預(yù)測能力，突出了腫瘤微環(huán)境評估的預(yù)測效果。涉及ARID1A和PIK3CA突變、犬尿氨酸代謝、糖原代謝、ATG7和VAMP8甲基化的內(nèi)在特征為TME評分指導(dǎo)的精確免疫治療的潛在機制提供了新的見解。
