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(jié)合特定細胞類型的圈選策略（Segmentation），分別獲得了腫瘤區(qū)域和基質(zhì)區(qū)域蛋白組和轉(zhuǎn)錄組表達譜，在空間水平解析了瘤內(nèi)異質(zhì)性。通過比較分析不同療效組，不同組織區(qū)域蛋白和RNA差異表達特征，篩選并構(gòu)建了基于空間分子表達的Signature，可以作為用來預(yù)測免疫療法療效的生物標(biāo)志物。通過比較基質(zhì)區(qū)域和腫瘤區(qū)域中預(yù)測臨床療效的空間標(biāo)志物分子評分，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)區(qū)域的分子特征對治療反應(yīng)顯示出更大的預(yù)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(xué)研究揭示了腫瘤生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)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(fā)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(guān)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(shù)：GeoMx DSP

（3）檢測panel：

● 空間轉(zhuǎn)錄組檢測：GeoMx® CTA panel，包含腫瘤相關(guān)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(biāo)蛋白和6種內(nèi)參蛋白； 

（4）感興趣區(qū)域（ROI）圈選方案：136個腫瘤 AOI和70個基質(zhì)AOI

通過細胞類型圈選方式進行圈選區(qū)域：形態(tài)學(xué)標(biāo)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(qū)分組織中的腫瘤細胞和基質(zhì)細胞，獲得其各自表達譜；

研究結(jié)果

1. 通過DSP鑒定出瘤內(nèi)AOIs具有不同表達模式

為了評估瘤內(nèi)異質(zhì)性（ITH），研究者分析了每個樣本不同AOIs中蛋白質(zhì)和RNA的表達模式。結(jié)果顯示，同一樣本基質(zhì)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(qū)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(zhì)細胞的表達譜比不同區(qū)域的表達譜更相似。

Fig.1 腫瘤內(nèi)不同AOIs具有不同表達模式

2.腫瘤和間質(zhì)中免疫細胞類型和通路的特征

研究者構(gòu)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(zhì)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(fā)現(xiàn)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(zhì)中的免疫細胞類型和分子通路分析

3. DSP標(biāo)記物的鑒定揭示ITH對篩選生物標(biāo)志物的影響

為了評估ITH對篩選與療效相關(guān)生物標(biāo)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(shù)據(jù)進行平均，模擬整體測序數(shù)據(jù)，并與空間segmentation的結(jié)果進行比較。共有18個DSP蛋白標(biāo)記物分別在間質(zhì)區(qū)和腫瘤區(qū)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(shù)據(jù)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(qū)域內(nèi)蛋白的表達情況，研究者對PR組（n=3）和PD組（n=3）中基質(zhì)區(qū)4種蛋白（CD11c、Tim-3、CD45、CD4）進行mIHC驗證，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)區(qū)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(yīng)組的患者，也發(fā)現(xiàn)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(guān)的候選生物標(biāo)志物的影響

4. 空間數(shù)據(jù)顯示基質(zhì)區(qū)域比腫瘤區(qū)域具有更大的臨床反應(yīng)相關(guān)性

考慮到ITH對免疫治療的反應(yīng)，研究者通過構(gòu)建療效相關(guān)的DSP蛋白標(biāo)記物的空間signature得分，評估間質(zhì)和腫瘤區(qū)域生物標(biāo)志物的臨床相關(guān)性。結(jié)果顯示，PD患者和PR患者在腫瘤區(qū)和間質(zhì)區(qū)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(jié)果的影響，結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的腫瘤生物標(biāo)志物相比，間質(zhì)signature顯示出更強的臨床相關(guān)性。接下來研究者通過公共數(shù)據(jù)集中65例接受ICIs治療的NSCLC患者的基質(zhì)區(qū)數(shù)據(jù)，進一步驗證了空間signature的有效性。這些結(jié)果表明，來自基質(zhì)區(qū)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(gòu)建空間signature來預(yù)測對免疫治療的臨床反應(yīng)

研究結(jié)論

本研究利用GeoMx® DSP空間多組學(xué)技術(shù)，對不同療效組患者的不同組織空間區(qū)域中100多個ROI的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組信息進行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，來自同一樣本的腫瘤區(qū)域和基質(zhì)區(qū)域表現(xiàn)出明顯的特征，從腫瘤或基質(zhì)區(qū)識別出的多個分子與治療反應(yīng)相關(guān)，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(yù)測PD1/PD-L1和CTLA-4雙特異性抗體（bsAb）免疫療法療效的生物標(biāo)志物。此外，通過比較基質(zhì)區(qū)域和腫瘤區(qū)域中預(yù)測臨床療效的空間標(biāo)志物分子評分，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)區(qū)域的分子特征對治療反應(yīng)顯示出更大的預(yù)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