肺癌是全球死亡率排名第一的癌癥，其發(fā)病率及死亡率仍在逐年上升，已成為對人類健康威脅最大的癌癥之一[1]。

非小細(xì)胞肺癌占所有肺癌的70%-80%，是最常見的肺癌亞型，其最重要的特征為具有很高的異質(zhì)性[2,3]。

腫瘤異質(zhì)性與其發(fā)生、轉(zhuǎn)移、進(jìn)展及治療反應(yīng)密切相關(guān)，腫瘤免疫微環(huán)境是非小細(xì)胞肺癌異質(zhì)性的主要來源[4,5]。因此，深入解析非小細(xì)胞肺癌免疫微環(huán)境的空間景觀，對于探明其發(fā)病機制、篩選疾病標(biāo)志物及開發(fā)新型治療策略至關(guān)重要。

單細(xì)胞測序技術(shù)的發(fā)展為揭示腫瘤分子異質(zhì)性開辟了新的道路，對于解析腫瘤免疫微環(huán)境中的復(fù)雜分子特征極其有利[6]，那可否通過高分辨率單細(xì)胞測序揭示非小細(xì)胞肺癌的免疫微環(huán)境特征，預(yù)測疾病進(jìn)展并輔助臨床決策呢？

近日，由麥吉爾大學(xué)Logan A. Walsh教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊，在《自然》雜志發(fā)表了一項重要研究成果。這項研究利用高度多重成像質(zhì)譜細(xì)胞術(shù)（IMC），表征了416例非小細(xì)胞肺癌樣本的免疫微環(huán)境特征，深入解析了160萬個細(xì)胞，分析了細(xì)胞免疫譜系和激活狀態(tài)與患者臨床結(jié)局的相關(guān)性。

更重要的是，他們還基于上述數(shù)據(jù)構(gòu)建了可以指導(dǎo)非小細(xì)胞肺癌患者術(shù)后管理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)了僅以1m㎡腫瘤組織的測序結(jié)果預(yù)測患者疾病進(jìn)展的目的[7]。

總之，這項研究解析了非小細(xì)胞肺癌復(fù)雜的免疫微環(huán)境特征，并基于此構(gòu)建模型來預(yù)測疾病進(jìn)展，輔助臨床決策。

文章封面截圖

為解析非小細(xì)胞肺癌免疫微環(huán)境的特征，Walsh團(tuán)隊使用IMC技術(shù)對416例腫瘤樣本進(jìn)行了檢測（圖1），共計檢測到1644178個細(xì)胞，并對腫瘤細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記分類。

圖1. 使用IMC技術(shù)解析非小細(xì)胞肺癌免疫微環(huán)境特征

分析結(jié)果表明，高級別實體瘤中的免疫浸潤率較高（44.6%），且?guī)追N組織亞型（高級別實體瘤、微乳頭組織、腺泡組織、乳頭組織和附壁結(jié)構(gòu)）中總淋巴細(xì)胞的數(shù)目沒有顯著差異，而髓系細(xì)胞變化較大。

在髓系細(xì)胞中，巨噬細(xì)胞是免疫微環(huán)境中最常見的細(xì)胞群，且實體瘤中CD163陽性（M2型巨噬細(xì)胞標(biāo)志）的巨噬細(xì)胞富集程度最高。此外，CD163陽性的巨噬細(xì)胞與Treg及CD8陽性T細(xì)胞都有較強的相關(guān)性，表明巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞群在非小細(xì)胞肺癌免疫微環(huán)境中存在潛在相互作用。

隨后，他們分析了這些免疫細(xì)胞與臨床病理變量之間的相關(guān)性，并發(fā)現(xiàn)CD163巨噬細(xì)胞頻率與實體瘤臨床預(yù)后負(fù)相關(guān)，而B細(xì)胞頻率與患者生存預(yù)后正相關(guān)。

此外，他們還發(fā)現(xiàn)與低級別組織亞型相比，高級別腫瘤中中性粒細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞與癌細(xì)胞相互作用顯著增強（圖2），且這種特征與腫瘤的轉(zhuǎn)移行為密切相關(guān)；且高級別腫瘤中內(nèi)皮細(xì)胞與CD163陽性巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞的相互作用更為明顯，表明腫瘤免疫微環(huán)境中，免疫細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞存在明顯的相互作用。

圖2.五種組織學(xué)亞型中腫瘤免疫微環(huán)境中細(xì)胞間的相互作用

為進(jìn)一步揭示免疫微環(huán)境特征的臨床意義，Walsh團(tuán)隊分析了微環(huán)境中細(xì)胞表型與生存結(jié)局的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)增殖性內(nèi)皮細(xì)胞群（Ki67陽性）的高頻率預(yù)示著更差的生存結(jié)局（圖3a）。

由于內(nèi)皮增殖是腫瘤微環(huán)境缺氧反應(yīng)的基礎(chǔ)，缺氧又是腫瘤侵襲性強的主要特征，且內(nèi)皮細(xì)胞又與中性粒細(xì)胞具有明顯的相互作用，因此缺氧標(biāo)志物HIF-1α陽性的中性粒細(xì)胞比例與患者生存預(yù)后負(fù)相關(guān)（圖3b）。

此外，淋巴細(xì)胞群表型分析顯示，CD4陽性T細(xì)胞亞群內(nèi)的活性ERK信號傳導(dǎo)預(yù)示著更好的生存預(yù)后（圖3c）。

圖3. 微環(huán)境中細(xì)胞亞型與患者生存預(yù)后的相關(guān)性

由于不同的細(xì)胞會相對集中的分布于腫瘤組織的不同區(qū)域，他們根據(jù)空間定義的細(xì)胞鄰域（CN），將腫瘤組織劃分為編號為CN1-CN10的10個區(qū)域，并發(fā)現(xiàn)CN3、CN4及CN9的高比例與患者生存期延長顯著相關(guān)（圖4）。

圖4. 不同腫瘤區(qū)域比例與患者生存預(yù)后的相關(guān)性

從上述結(jié)果來看，腫瘤免疫微環(huán)境中的很多特征可有效預(yù)測患者生存預(yù)后。因此，他們基于免疫微環(huán)境的空間特征構(gòu)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（圖5），以期預(yù)測非小細(xì)胞肺癌患者生存預(yù)后。

圖5. 基于免疫微環(huán)境特征構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

隨后，Walsh團(tuán)隊擬利用該模型解決一個臨床難題：利用1m㎡（小于肺癌活檢穿刺面積）腫瘤組織的測序結(jié)果，預(yù)測IA-IB期肺癌患者術(shù)后進(jìn)展。

最后發(fā)現(xiàn)，以CD14、CD16、CD94、αSMA和CD117這五種標(biāo)志物的組合進(jìn)行預(yù)測時，其準(zhǔn)確率可達(dá)90.8%，在此基礎(chǔ)上加入CD20后，準(zhǔn)確率進(jìn)一步提高至93.3%（圖6）。

以上結(jié)果表明，這種基于腫瘤免疫微環(huán)境的深度學(xué)習(xí)模型可有效預(yù)測IA-IB非小細(xì)胞肺癌的疾病進(jìn)展，輔助其臨床決策。

圖6. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測準(zhǔn)確率

總之，這項研究通過一種新穎的空間組學(xué)技術(shù)對非小細(xì)胞肺癌的免疫微環(huán)境做了深度解析，確定了與患者生存相關(guān)的分子特征及空間特征，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了可預(yù)測非小細(xì)胞肺癌術(shù)后疾病進(jìn)展的模型，對非小細(xì)胞肺癌的臨床決策有重要指導(dǎo)意義。

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