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Nature子刊|辯證看待PD-1PD -L1免疫治療標(biāo)志物
哈嘍，好久不見，開門見山，今天小編向大家分享的是一篇發(fā)表在Nature子刊《Nature Communications》（IF:14.919）雜志上的文章，主要講解了不同腫瘤類型對PD-L1阻斷反應(yīng)的分子決定因素。免疫檢查點(diǎn)阻斷可以說是近幾年的明星課題，PD-1/PD-L1抑制劑免疫療法也確實(shí)為很多患者帶來了福音，但目前仍沒有有效的預(yù)測生物標(biāo)志物來指導(dǎo)臨床精準(zhǔn)用藥。當(dāng)所有人都攪破腦汁想要尋找新的預(yù)測生物標(biāo)志物的時(shí)候，卻有人獨(dú)辟蹊徑，不僅否定了別人找到的預(yù)測標(biāo)志物，還推翻了自己千辛萬苦的找到的預(yù)測基因簽名。真可以說是學(xué)術(shù)圈的“杠把子”了，還杠出了一篇Nature子刊，趕快隨小編一睹為快吧~
從atezolizumab的三個(gè)II期臨床試驗(yàn)中總共選擇了366名患者進(jìn)行分析。
①IMvigor210（NCT02108652）是一項(xiàng)關(guān)于atezolizumab用于治療膀胱癌的II期臨床試驗(yàn)，共招募了兩組患者。第一組包括119名不適合順鉑化療的晚期初治患者，使用atezolizumab進(jìn)行一線治療；第二組招募了316名鉑類化療失敗的患者，使用atezolizumab進(jìn)行二線治療。本研究中選擇是來自第二組中的208名轉(zhuǎn)移性尿路上皮癌(mUC)患者。
②POPLAR（NCT01903993）是一項(xiàng)多中心、隨機(jī)、開放、2期臨床研究，旨在評估atezolizumab在含鉑方案治療進(jìn)展后局晚期或轉(zhuǎn)移性非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)患者中的療效和安全性，納入287例NSCLC患者，根據(jù)PD-L1在腫瘤浸潤免疫細(xì)胞中的表達(dá)情況、組織學(xué)分型、繼往治療方式將這些患者隨機(jī)分組。其中atezolizumab組144例，多西他賽(docetaxel)組143例。本研究選擇的是來自atezolizumab組中的81名NSCLC患者。
③IMmotion150研究是在轉(zhuǎn)移性腎細(xì)胞癌(RCC)患者中開展的第一項(xiàng)評估atezolizumab與貝伐珠單抗(bevacizumab)聯(lián)用的療效和安全性的多中心、開放標(biāo)簽II期研究，患者隨機(jī)分為3組，A組給予atezolizumab+貝伐珠單抗治療；B組給予atezolizumab治療；C組給予舒尼替尼治療。本研究選擇的是來自A組或B組中的77名RCC患者。
Part 1. PD-L1表達(dá)情況和腫瘤突變負(fù)擔(dān)評估
通過免疫組化分別對腫瘤細(xì)胞（TC）和浸潤免疫細(xì)胞（IC）中PD-L1表達(dá)水平進(jìn)行評估。根據(jù)表達(dá)水平對細(xì)胞進(jìn)行分級：0級(<1%)，1級(≥1%但<5%)，2級(≥5%但<50%)，3級(≥50%)，1、2或3級，均被歸類為PD-L1陽性(≥1%)。
患者客觀反應(yīng)率（ORR）主要包括：反應(yīng)[完全反應(yīng)(CR)/部分反應(yīng)(PR)]或無反應(yīng)[穩(wěn)定疾病(SD)/漸進(jìn)性疾病(PD)]。
結(jié)果顯示，在這3種腫瘤患者中均未觀察到ORR存在顯著差異。mUC、NSCLC和RCC客觀反應(yīng)率分別為21.6%（45/208）、13.6%（11/81）和19.5%（15/77）（補(bǔ)充圖1b）。74.0%(154/208)的mUC、70.4%(57/81)的NSCLC和62.3%(48/77)的RCC腫瘤為PD-L1+（補(bǔ)充圖1c）。在所有3種腫瘤中，應(yīng)答者均表現(xiàn)出PD-L1陽性比例增加（圖1a）。這種PD-L1評分方案靈敏度較高（83.1%），但特異性較低（32.2%）[mUC：84.4%/28.8%；NSCLC：90.1%/32.9%；RCC：73.3%/40.3%]。
為了評估腫瘤突變負(fù)荷（TMB）對檢查點(diǎn)抑制劑療法效果的預(yù)測能力，作者進(jìn)一步選擇了246個(gè)樣本（144mUC、50NSCLC和52RCC）的全外顯子測序結(jié)果進(jìn)行分析（見補(bǔ)充圖1a）。
結(jié)果顯示，TMB在這3種腫瘤患者中存在顯著差異，mUC患者(中位數(shù)17.7 mub./mb)和NSCLC患者(中位數(shù)15.5 mub./mb)的TMB顯著高于RCC患者(中位數(shù)10.9 mub./mb)，這與TCGA中的數(shù)據(jù)結(jié)果一致(補(bǔ)充圖1d)。mUC應(yīng)答者的TMB顯著升高，在NSCLC中也有同樣趨勢，但在RCC患者中應(yīng)答者與非應(yīng)答者之間的TMB無顯著差異(圖1b)。
根據(jù)中位數(shù)(16.3mu./mb)，進(jìn)一步將樣本分為TMBhigh或TMBlow，TMB檢測應(yīng)答者的總體敏感性和特異性分別為70.6%和55.4% (mUC: 79.4%/47.3%；非小細(xì)胞肺癌:66.7%/56.1%；RCC: 37.5%/75.0%)，對mUC患者的靈敏度最高。
接下來，作者還聯(lián)合分析了PD-L1和TMB的預(yù)測能力，結(jié)果顯示，在總共檢測的246例腫瘤中，PD-L1+和TMBhigh合并的腫瘤有207例(84.1%)，其中51例來自應(yīng)答者(圖1c)。其中PD-L1+和TMBhigh為31例(60.8%)，PD-L1+為10例(19.6%)，TMBhigh為5例(9.8%)。另有5例(9.8%)患者同時(shí)患有PD-L1-和TMBlow。作者認(rèn)為聯(lián)合使用PD-L1表達(dá)和TMB能夠識別大部分應(yīng)答者，具有較高的檢測靈敏度。然而，PD-L1+和/或TMBhigh腫瘤也包括161/195(82.6%)非應(yīng)答者，所有腫瘤組均出現(xiàn)了假陽性和假陰性，表明這種檢測方法的特異性較差。這提示我們腫瘤具有特異性反應(yīng)機(jī)制，促使我們尋找新的生物預(yù)測標(biāo)志物，以更準(zhǔn)確地檢測不同類型腫瘤的應(yīng)答者。
Part 2. 腫瘤預(yù)處理后的轉(zhuǎn)錄景觀
為了進(jìn)一步分析PD-L1表達(dá)和TMB對免疫檢查點(diǎn)的影響，作者通過RNA-seq分析預(yù)處理后的腫瘤轉(zhuǎn)錄組。結(jié)果顯示，樣本主要按腫瘤類型聚類(圖1d)。在mUC和NSCLC腫瘤之間觀察到重疊，而RCC腫瘤是離散聚集的，這可能是由于組織特異性和腫瘤發(fā)生機(jī)制不同綜合影響的結(jié)果。這種聚類模式在TCGA和PCD4989g的兩個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)集中也得到了確認(rèn)(補(bǔ)充圖2a)。
Part 3.免疫檢查點(diǎn)抑制劑簽名的預(yù)測性能
為了進(jìn)一步尋找有效的生物預(yù)測標(biāo)志物，作者希望能夠通過機(jī)器學(xué)習(xí)建立一個(gè)可以預(yù)測腫瘤患者對atezolizumab反應(yīng)的基因簽名。通過366名患者的轉(zhuǎn)錄樣本（訓(xùn)練集）作者得到了加權(quán)的58個(gè)基因簽名(補(bǔ)充數(shù)據(jù)2)，同時(shí)在PCD4989g隊(duì)列的206個(gè)樣本（驗(yàn)證集）[mUC(n = 94)、NSCLC (n=54)、RCC(n = 58)]中進(jìn)行驗(yàn)證（見補(bǔ)充圖1a）。
結(jié)果顯示，可以在訓(xùn)練集中顯著區(qū)分應(yīng)答者和非應(yīng)答者(圖2b)。在POPLAR的多西他賽組(NSCLC)和IMmotion150的舒尼替尼組(RCC)中，應(yīng)答者和非應(yīng)答者之間基因簽名分?jǐn)?shù)沒有顯著差異，說明該基因簽名對atezolizumab應(yīng)答具有預(yù)測價(jià)值(圖2b)。
為了評估此簽名對應(yīng)答者接受atezolizumab治療效果的預(yù)測能力，作者在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集中都繪制了ROC曲線，同時(shí)還包括PD-L1、TMB的ROC曲線。
結(jié)果顯示，在訓(xùn)練集中，這個(gè)基因簽名在246個(gè)RNA-seq和TMB樣本中具有很高的準(zhǔn)確性(紅色曲線，AUC=0.99)(圖2c)，而TMB(黑色曲線，AUC = 0.69)和PD-L1(藍(lán)色曲線，AUC = 0.60)的AUC均較低。有趣的是，在RNA-seq、PD-L1和TMB之間沒有觀察到協(xié)同作用，表明RNA-seq可以能夠單獨(dú)概括PD-L1表達(dá)和TMB的生物學(xué)基礎(chǔ)。
此外，作者還繪制了其他5項(xiàng)已報(bào)道的預(yù)測因子的ROC曲線，均表現(xiàn)出糟糕的預(yù)測性能，最高AUC為0.60。
在驗(yàn)證集中，所有上述的預(yù)測因子都顯示出較差的預(yù)測能力，包括作者提出來的58個(gè)基因的簽名（圖2d）。
為了提高結(jié)論的可靠性，作者在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集上采用其他不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行了重新測試，都得到了相似的結(jié)果。這些發(fā)現(xiàn)表明，雖然機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以通過單數(shù)據(jù)集的交叉驗(yàn)證來識別高度準(zhǔn)確的簽名，但獨(dú)立數(shù)據(jù)集的驗(yàn)證仍然具有挑戰(zhàn)性，可能會(huì)受到樣本量低、腫瘤異質(zhì)性以及不同隊(duì)列之間臨床差異的影響（補(bǔ)充圖6）。
Part 4. PD-L1與TMB的轉(zhuǎn)錄相關(guān)物
接下來，作者分析了與atezolizumab反應(yīng)相關(guān)的生物途徑，建立了一個(gè)包括應(yīng)答、腫瘤類型、PD-L1表達(dá)和TMB在內(nèi)的模型。
首先鑒定了與PD-L1表達(dá)相關(guān)的基因，其中過表達(dá)基因1325個(gè)，低表達(dá)基因463個(gè)(補(bǔ)充數(shù)據(jù)3)。過表達(dá)基因主要為免疫相關(guān)基因，包括IFN-γ誘導(dǎo)的趨化因子(CXCL9, CXCL10, CXCL11和CXCL13)，檢查點(diǎn)(CTLA4和IDO1)，以及細(xì)胞毒性編碼基因(GZMA, GZMB, GZMH, GZMK和PRF1)和B/漿細(xì)胞生物學(xué)(CD79A, JCHAIN, IGLL5, MZB1, TNFRSF13B和BLK)。
同樣，作者比較了TMBhigh和TMBlow腫瘤的轉(zhuǎn)錄組差異，其中165個(gè)基因過表達(dá)，121個(gè)基因低表達(dá)，表明TMB與轉(zhuǎn)錄之間的相關(guān)性較PD-L1弱(補(bǔ)充數(shù)據(jù)4)。
結(jié)果表明，PD-L1表達(dá)對RNA-seq在腫瘤中的轉(zhuǎn)錄差異貢獻(xiàn)最大，并且與PD-L1水平相關(guān)的基因代表了腫瘤免疫浸潤的特征。PD-L1和TMB的轉(zhuǎn)錄相關(guān)物大多是不同的，支持這兩個(gè)生物標(biāo)志物之間的不重疊特征。
Part 5. PD-L1阻斷反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄相關(guān)物
接下來，作者探索了基因表達(dá)和atezolizumab反應(yīng)之間的關(guān)系。由于TMB對腫瘤轉(zhuǎn)錄組影響較小，因此將TMB從模型中去除。
結(jié)果顯示，在聯(lián)合分析中(圖3a)，應(yīng)答者腫瘤中ATP生物合成和氧化磷酸化豐富。細(xì)胞周期蛋白相關(guān)/ DDR(DNA損傷修復(fù))相關(guān)基因在mUC和NSCLC腫瘤中富集，可能反映了TMB增加與PD-L1阻斷反應(yīng)之間的關(guān)系。相反，與腫瘤生物學(xué)(WNT和PI3K-Akt)和基質(zhì)生物學(xué)(TGF-β、膠原和細(xì)胞外基質(zhì))相關(guān)的模塊在非應(yīng)答者中富集。
隨后作者分別對PD-L1+和PD-L1-腫瘤進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)根據(jù)PD-L1狀態(tài)，不同腫瘤的轉(zhuǎn)錄組存在顯著差異。在PD-L1+ mUC腫瘤中，只有凋亡信號與應(yīng)答相關(guān)。PD-L1+ NSCLC轉(zhuǎn)錄組則以翻譯途徑為主。在PD-L1+ RCC腫瘤中，髓系炎癥、WNT信號傳導(dǎo)和膠原形成與ORR呈負(fù)相關(guān)(圖3b)。
有趣的是，在107例PD-L1腫瘤中，在3種不同腫瘤中觀察到了一致的轉(zhuǎn)錄信號，即細(xì)胞周期/DDR(DNA損傷修復(fù))與PD-L1腫瘤的應(yīng)答呈正相關(guān)(圖3b)。雖然表明在這種情況下高TMB對阻斷反應(yīng)有貢獻(xiàn)，但DDR特征和TMB之間的相關(guān)性不大(補(bǔ)充數(shù)據(jù)6)。
Part 6. PD-L1阻斷反應(yīng)中CDKN2A活性增加
在與PD-L1阻斷反應(yīng)相關(guān)的基因中，CDKN2A上調(diào)最多(圖4)。CDKN2A編碼p16(INK4A)，它是細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶CDK4和CDK6的內(nèi)源性抑制劑，可阻止G1/S期轉(zhuǎn)變并誘導(dǎo)細(xì)胞衰老。在許多腫瘤類型中，存在CDKN2A的拷貝數(shù)丟失。
為了評估m(xù)UC、NSCLC和RCC中CDKN2A缺失的患病率，作者查詢了Foundation Medicine臨床數(shù)據(jù)庫，其中包括140288例患者腫瘤樣本，以了解部分(1拷貝，CN1)或完全(0拷貝，CN0) CDKN2A缺失患者的患病率。結(jié)果顯示，在某些癌癥中顯示頻繁的CDKN2A丟失(圖4b)，包括膀胱癌(39%)、RCC(36%)和非鱗狀細(xì)胞癌(34%)。
接下來，作者評估了CDKN2A拷貝數(shù)改變和PD-L1阻斷反應(yīng)之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在CDKN2A缺失的mUC和RCC中觀察到患者對atezolizumab的應(yīng)答降低，但這種相關(guān)性沒有達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能是由于樣本量低(圖4c)。
最后，作者分析了CDKN2A及其兩個(gè)靶點(diǎn)CDK4和CDK6的轉(zhuǎn)錄水平與mUC和NSCLC的總生存(OS)以及RCC的無進(jìn)展生存(PFS)之間的關(guān)系(圖4d)。結(jié)果顯示，CDKN2A增加與mUC中OS改善相關(guān)，RCC患者的PFS也有改善趨勢。相反，CDK6的增加與mUC和NSCLC的OS以及RCC的PFS降低相關(guān)，而CDK4表達(dá)高低對患者生存的影響無顯著性差異。
在這項(xiàng)研究中，作者通過RNA-seq對366名患者的PD-L1表達(dá)和TMB進(jìn)行轉(zhuǎn)錄分析，以確定在三種對抗PD-L1單克隆抗體atezolizumab有反應(yīng)的腫瘤類型中與檢查點(diǎn)抑制劑(CPI)反應(yīng)相關(guān)的分子程序。這項(xiàng)交叉指征分析結(jié)合了572名接受atezolizumab治療的患者的現(xiàn)有生物標(biāo)志物和RNA-seq，顯示了mUC、NSCLC和RCC腫瘤之間顯著的分子異質(zhì)性。機(jī)器學(xué)習(xí)沒有識別出一個(gè)統(tǒng)一的轉(zhuǎn)錄簽名預(yù)測ORR。多種因素決定了對檢查點(diǎn)阻斷的反應(yīng)，而這些因素在一定程度上依賴于腫瘤類型，這突出了在這一領(lǐng)域開發(fā)生物標(biāo)志物的難度。雖然對PD-(L)1阻斷反應(yīng)的通用生物標(biāo)志物可能存在，但考慮適應(yīng)癥特異性的分子環(huán)境來制定下一代聯(lián)合治療將是至關(guān)重要的。
