本研究回顧性納入18例接受雙特異性抗體（bsAb）治療的NSCLC晚期患者（aNSCLC），采用GeoMx® protein和CTA檢測方案，結合特定細胞類型的圈選策略（Segmentation），分別獲得了腫瘤區域和基質區域蛋白組和轉錄組表達譜，在空間水平解析了瘤內異質性。通過比較分析不同療效組，不同組織區域蛋白和RNA差異表達特征，篩選并構建了基于空間分子表達的Signature，可以作為用來預測免疫療法療效的生物標志物。通過比較基質區域和腫瘤區域中預測臨床療效的空間標志物分子評分，發現基質區域的分子特征對治療反應顯示出更大的預測能力。

文章詳情

文章題目：Spatial multi-omics revealed the impact of tumor ecosystem heterogeneity on immunotherapy efficacy in patients with advanced non-small cell lung cancer treated with bispecific antibody

中文題目：空間多組學研究揭示了腫瘤生態系統的異質性對使用雙特異性抗體治療的晚期非小細胞肺癌患者免疫治療療效的影響

發表時間：2023.02

期刊名稱：Journal for ImmunoTherapy of Cance

影響因子：17

實驗平臺：GeoMx DSP

doi：10.1136/jitc-2022-006234.

研究方法

圖1 人類HBV相關HCC中不同的成纖維細胞亞群

（1）樣本：來自18名接受KN046治療的晚期NSCLC患者的20個腫瘤樣本

（2）技術：GeoMx DSP

（3）檢測panel：

● 空間轉錄組檢測：GeoMx® CTA panel，包含腫瘤相關的1800種RNA； 

● 空間蛋白組檢測：4個GeoMx® 蛋白檢測模塊，包括：Immune Cell Profiling Core，Pan-Tumor Module，Immune Cell Typing Module和IO Drug Target Module，共包括44種靶標蛋白和6種內參蛋白； 

（4）感興趣區域（ROI）圈選方案：136個腫瘤 AOI和70個基質AOI

通過細胞類型圈選方式進行圈選區域：形態學標記（panCK（上皮細胞），CD45（免疫細胞）, SYTO 13（細胞核））對組織進行染色，識別和區分組織中的腫瘤細胞和基質細胞，獲得其各自表達譜；

研究結果

1. 通過DSP鑒定出瘤內AOIs具有不同表達模式

為了評估瘤內異質性（ITH），研究者分析了每個樣本不同AOIs中蛋白質和RNA的表達模式。結果顯示，同一樣本基質細胞及腫瘤細胞RNA和蛋白的表達具有明顯差異，分為兩個獨立的聚類。研究人員推測空間上相鄰的腫瘤區域在分子水平上會有更高的相似性，為了證明該推測，研究人員對12個腫瘤樣本進行分析。結果發現，在這12個樣本中，8個樣本中腫瘤AOIs的空間距離與分子聚類模式具有一致性，并且同一ROI中的腫瘤與間質細胞的表達譜比不同區域的表達譜更相似。

Fig.1 腫瘤內不同AOIs具有不同表達模式

2.腫瘤和間質中免疫細胞類型和通路的特征

研究者構建了肝癌小鼠模型，隨后對10個腫瘤小鼠進行了單細胞分析，共聚類成10個細胞群。與人類HCC相似，小鼠HCC腫瘤含有大量的髓系細胞(~30%)，主要由巨噬細胞和MDSCs組成，還有少量的DC。為了進一步鑒別成纖維細胞的異質性，研究者從7個小鼠肝癌腫瘤的scRNA-seq分析中篩選出CAFs，并聚類成了7個亞群。并且在人類HCC腫瘤中發現的所有5種CAF亞型在小鼠HCC組織中也有表達。

Fig.2  腫瘤和基質中的免疫細胞類型和分子通路分析

3. DSP標記物的鑒定揭示ITH對篩選生物標志物的影響

為了評估ITH對篩選與療效相關生物標志物的影響，研究者通過DSP研究bsAb-KN046治療的療效。將每個腫瘤樣本的所有AOIs蛋白表達數據進行平均，模擬整體測序數據，并與空間segmentation的結果進行比較。共有18個DSP蛋白標記物分別在間質區和腫瘤區被鑒定出來，其中只有4個蛋白（CD45、CD4、CD4和CD11c）也在模擬測序數據中表達，并且4種蛋白在PR組中的表達增加。為了進一步驗證不同區域內蛋白的表達情況，研究者對PR組（n=3）和PD組（n=3）中基質區4種蛋白（CD11c、Tim-3、CD45、CD4）進行mIHC驗證，發現基質區PR組上述4種蛋白的表達均顯著高于PD組。在不同免疫浸潤反應組的患者，也發現四種免疫細胞（CD4 T細胞，樹突狀細胞、巨噬細胞和單核細胞）在PR組中豐度更高。

Fig.3  ITH對尋找與治療療效相關的候選生物標志物的影響

4. 空間數據顯示基質區域比腫瘤區域具有更大的臨床反應相關性

考慮到ITH對免疫治療的反應，研究者通過構建療效相關的DSP蛋白標記物的空間signature得分，評估間質和腫瘤區域生物標志物的臨床相關性。結果顯示，PD患者和PR患者在腫瘤區和間質區的signature評分具有顯著差異。接下來，采用多因素Cox回歸分析了多種表征對臨床結果的影響，結果顯示，與傳統的腫瘤生物標志物相比，間質signature顯示出更強的臨床相關性。接下來研究者通過公共數據集中65例接受ICIs治療的NSCLC患者的基質區數據，進一步驗證了空間signature的有效性。這些結果表明，來自基質區域的分子在評估免疫治療的臨床療效方面可能具有更大的潛力。

Fig.4 構建空間signature來預測對免疫治療的臨床反應

研究結論

本研究利用GeoMx® DSP空間多組學技術，對不同療效組患者的不同組織空間區域中100多個ROI的轉錄組和蛋白質組信息進行了分析。結果發現，來自同一樣本的腫瘤區域和基質區域表現出明顯的特征，從腫瘤或基質區識別出的多個分子與治療反應相關，并進一步篩選提供了18個候選蛋白，其表達特征可以作為預測PD1/PD-L1和CTLA-4雙特異性抗體（bsAb）免疫療法療效的生物標志物。此外，通過比較基質區域和腫瘤區域中預測臨床療效的空間標志物分子評分，發現基質區域的分子特征對治療反應顯示出更大的預測能力。 

參考文獻：

Song X, Xiong A, Wu F, et al. Spatial multi-omics revealed the impact of tumor ecosystem heterogeneity on immunotherapy efficacy in patients with advanced non-small cell lung cancer treated with bispecific antibody. J Immunother Cancer. 2023;11(2):e006234. doi:10.1136/jitc-2022-006234