巨噬細胞竟然還有這么多亞群？Cancer Discovery發(fā)文揭秘巨噬細胞空間異質性與臨床意義

巨噬細胞竟然還有這么多亞群？CancerDiscovery發(fā)文揭秘巨噬細胞空間異質性與臨床意義巨噬細胞作為組織內的免疫哨兵細胞，在免疫防御中具有多重功能，包括病原體的識別與防御、抗原的呈遞、吞噬垂死細胞以及分泌信號促進組織修復。在腫瘤中，巨噬細胞的浸潤常與不良的疾病預后相關聯，因此被視為潛在的癌癥治療靶點。然而，目前針對腫瘤相關巨噬細胞（TAMs）的單一療法在實體瘤治療中效果有限，主要是因為這些方法未能充分考慮到巨噬細胞的多樣性。因此，深入解析巨噬細胞的分子特征和功能異質性，將有助于開發(fā)更為有效的靶向治療策略，并提高臨床治療效果的預測能力。近日美國斯坦福大學研究團隊在《CancerDiscovery》（IF=30.8）上發(fā)表了名為“Spatiallysegregatedmacrophagepopulationspredictdistinctoutcomesincoloncancer”的文章。對公共數據庫中的scRNAseq數據集進行分析，結合包括Phencycler-Fusion(PCF)空間單細胞蛋白組等的多種空間技術，深入剖析了腫瘤微環(huán)境中的巨噬細胞群體，發(fā)現了它們的空間分布與患者臨床結果之間的顯著關聯。這些腫瘤相關巨噬細胞（TAMs）不僅在腫瘤進展中扮演著多重角色，而且其異質性為癌癥治療提供了新的視角。1、通過scRNA-seq鑒定巨噬細胞亞群標志物研究團隊利用四個公開的結直腸癌和乳腺癌scRNAseq數據集發(fā)現了不同巨噬細胞亞型的標記物（圖1A），通過基因差異富集情況，共區(qū)分了11個轉錄亞群，3個單核細胞亞群、5個TAM亞群（腫瘤相關巨噬細胞）、3個TRM亞群（組織駐留巨噬細胞）（圖1C、D），其中FOLR2+TRM亞群尚未報道過。作者驗證六種巨噬細胞亞群的marker對應的商品化抗體，以IL4I1、NLRP3、SPP1、FOLR2、LYVE1和MARCO蛋白表達為基礎來分辨TAM和TRM群體（圖1G）。圖1通過scRNA-seq鑒定巨噬細胞亞群2、FOLR2、IL4I1、NLRP3和SPP1標記TME中空間上不同的巨噬細胞生態(tài)位為了研究乳腺癌和結腸癌TME中巨噬細胞標記物的空間分布，作者使用CD68和CD163作為典型巨噬細胞標記物，使用IL4I1、NLRP3和SPP1來區(qū)分TAM亞群，使用FOLR2來區(qū)分TRM。結果發(fā)現，以往普遍的觀點認為的與腫瘤生長和轉移相關的CD163+細胞本研究反而定位于距離腫瘤更遠的部位（圖2B），而CD68表達較高的巨噬細胞則浸潤并緊緊包圍腫瘤巢（圖2B、D）。FOLR2的表達與良性組織有關，其位置離腫瘤較遠（圖2E-G），在空間上與CD163表達較高的巨噬細胞共定位（圖2D）。而表達IL4I1、NLRP3和SPP1的巨噬細胞則富集在腫瘤附近，在空間上與CD68表達較高的巨噬細胞共定位（（圖2Dii）。IL4I1+巨噬細胞存在于腫瘤巢周圍的促纖維增生基質中，FOLR2+巨噬細胞存在于更遠的周圍良性組織中。這表明腫瘤的存在以類似的方式塑造TME中的巨噬細胞表型和分布，而與腫瘤類型或腫瘤是原發(fā)性還是轉移性無關。該團隊將分析研究擴展到了八個不同器官起源癌癥，發(fā)現所有分析的腫瘤中均存在FOLR2+TRMs和IL4I1+TAM的空間異質性。圖2FOLR2、IL4I1、NLRP3和SPP1在TME中標記巨噬細胞異質性3、IL4I1標記吞噬巨噬細胞IL4I1定位于抗原呈遞細胞的溶酶體中，提示其在吞噬作用中起作用。使用基因集富集分析進一步研究吞噬作用與IL4I1陽性TAMs之間的關聯。發(fā)現與其他所有scRNA巨噬細胞亞型相比，CXCL9陽性TAMs（IL4I1陽性TAMs的一個亞群）在吞噬體、溶酶體、內吞作用和抗原處理與呈遞基因集表達中最為富集（圖3A）。現SIRPA（編碼CD47配體）和CD274（編碼PD-L1）都在表達IL4I1的scRNA髓系簇中富集，包括SPP1陽性TAMs、ISG15陽性TAMs和CXCL9陽性TAMs（圖4B）。提示IL4I1陽性TAMs可能是抗CD47和抗PD-L1免疫療法的潛靶點，這些療法可能影響IL4I1陽性TAMs的吞噬潛力。無論是治療前還是治療后，響應治療的患者中表達IL4I1的scRNATAMs的頻率都增加了（圖4C、D），表明IL4I1是PD-1-PD-L1軸阻斷反應的潛在新預測標記。圖3IL4I1標記吞噬巨噬細胞4、PCF空間單細胞蛋白組揭示結腸癌和乳腺癌組織內巨噬細胞生態(tài)位的空間細胞相互作用在確定了IL4I1、NLRP3、SPP1、FOLR2和LYVE1巨噬細胞群體在空間上存在異質性之后，作者利用PhenoCycler-Fusion（PCF）空間單細胞蛋白組（原CODEX）在乳腺和結腸良性及腫瘤組織切片上同時可視化36個蛋白標記以揭示這些細胞的空間關系。PCF抗體組包含四種常規(guī)的髓系標記物（CD16、CD68、CD163、CD206）和三種巨噬細胞亞群特異性標記物（SPP1、LYVE1和FOLR2）。利用PCF確定了兩種上皮細胞類型、七種基質細胞類型和15種免疫細胞類型，在免疫細胞類型中，分辨出了五種巨噬細胞群。PCF成像結果證實前期scRNAseq和IF結果，并且能夠識別良性和腫瘤組織中巨噬細胞亞型與其他細胞類型之間的空間關聯。具體的，SPP1+TAMs與CD68+TAMs共同富集在腫瘤細胞附近，定位于缺氧的腫瘤區(qū)域，并與中性粒細胞浸潤有關。相比之下，CD163+TRMs、FOLR2+TRMs和LYVE1+TRMs則共同富集在距離腫瘤較遠的鄰近良性組織中（圖4B-D）。FOLR2+TAM構成腸肌壁中的組織駐留巨噬細胞群，并與腸道固有層和結締乳腺組織中的漿細胞相關。來自乳腺結締組織或腸肌壁的FOLR2+TRMs可以被捕獲在生長的腫瘤巢內，從而成為TME的一部分（圖4F）。圖4CODEX揭示了巨噬細胞微環(huán)境中的空間細胞相互作用5、SPP1+TAMs在缺氧和壞死腫瘤區(qū)域富集，NLRP3+TAM激活TME中的NLRP3炎癥小體PCF空間細胞鄰域分析揭示了SPP1+TAM與中性粒細胞在空間共富集。作者還發(fā)現NLRP3+TAM在中性粒細胞浸潤的腫瘤區(qū)域富集（圖5A）。然而SPP1+TAM與含有壞死組織的區(qū)域相關（圖5B）。作者使用了公開的10×VisiumFFPE人乳腺癌樣本進一步探討SPP1+TAM與壞死的關聯，結果表明該樣本中的壞死腫瘤區(qū)域富含SPP1+基因表達而非NLRP3+基因表達（圖5C）。這些結果表明，NLRP3+TAMs很可能有助于嗜中性粒細胞在TME中的招募，而SPP1+TAMs可能在吞噬壞死腫瘤區(qū)域中發(fā)揮作用。研究團隊使用CosMxSMI等技術發(fā)現NLRP3+TAMs通過激活NLRP3炎性體參與炎癥的發(fā)生，并驅動中性粒細胞浸潤。相反，SPP1+TAMs通過清除缺氧腫瘤區(qū)域的壞死病灶，在組織修復中發(fā)揮作用（圖5D）。圖5NLRP3+TAMs和SPP1+TAMs的功能異質性高IL4I1+TAMs預示CRC患者預后良好，而高SPP1+TAMs預示患者預后不良作者將IL4I1+TAMs和SPP1+TAMs的豐度與結直腸癌患者的臨床結局相關聯，來闡明它們對腫瘤生物學的生物學影響。發(fā)現IL4I1+TAMs在兩個獨立的結直腸癌隊列中是良好預后的強預測因子（圖7A、B），SPP1+TAMs則與結直腸癌的不良預后相關（圖7C）。這與SPP1+TAMs與腫瘤壞死和缺氧的空間關聯一致，而腫瘤壞死和缺氧都是腫瘤侵襲性的標志。作者表示這是首個基于蛋白質的證據，顯示了在實體腫瘤中，兩種TAM群體之間存在相反的臨床結局相關性。這表明不同的TAM群體之間存在分工，以不同的方式影響患者的預后。圖6IL4I1+

TAM和SPP+

TAM與CRC患者預后有關

總結與討論本研究利用單細胞公共數據庫挖掘發(fā)現了5種巨噬細胞亞群，進而通過包含PhenoCycler-Fusion空間單細胞蛋白組（原CODEX）在內的多個空間組學技術深入解析了巨噬細胞群體的空間分布及其與疾病進程的關聯。研究揭示了巨噬細胞并非隨機分布于組織，而是根據其獨特功能，占據特定的生態(tài)位。巨噬細胞的空間組織特性與其功能狀態(tài)緊密相關，針對巨噬細胞的空間特異性干預策略，可能成為未來腫瘤免疫治療的新方向，有望提高治