结直肠癌患者在免疫治疗下原位癌灶及外周系统的时空变化

　　

2024年7月8日，国际著名期刊Cancer Cell上发表了题为Spatiotemporal single-cell analysis decodes cellular dynamics underlying different responses to immunotherapy in Colorectal Cancer的研究论文[1]。该研究动态追踪了结直肠癌患者在免疫治疗下原位癌灶及外周系统的时空变化，通过系统性鉴定“细胞程序”揭示了肿瘤微环境中多种细胞类型在免疫治疗过程中的协同演化规律，进一步解析了外周免疫系统对免疫治疗疗效的关键作用，建立了基线水平外周CD8 T细胞的激活状态与患者疗效的关联，为理解免疫治疗响应差异提供了新的视角。

这项研究由北京大学肿瘤医院武爱文教授课题组联合北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）张泽民院士课题组历时六年完成的。

近年来，免疫检查点阻断（ICB）疗法在癌症治疗领域取得了令人瞩目的成果。其治疗过程可激活以 T 细胞为核心代表的抗肿瘤反应，这一过程伴随着肿瘤微环境（TME）的重塑和全身系统免疫的改变。然而，在结直肠癌（CRC）中，这种治疗手段只在dMMR/MSI-H、POLE热点突变患者中有效，如何提高占据90%的大多数MSS结直肠癌的疗效成为临床医生最为关注的问题。

针对此问题，自2018开始北京大学肿瘤医院武爱文教授团队就开展了前瞻性的临床研究，以探索新辅助放化疗联合免疫治疗能否改善pMMR/MSS局部进展期直肠癌的疗效。2021年该团队在国内该领域顶级杂志《中华胃肠外科杂志》上首先报告了先期的探索结果[2]。2024年2月21日，命名为PKUCH-R04（NCT04340401）的前瞻性II期临床研究历经六年，最终在国际外科学排名第一的期刊JAMA Surgery上发表了题为Total Neoadjuvant Therapy With PD-1 Blockade for High-Risk Proficient Mismatch Repair Rectal Cancer的研究结果[3]。该研究纳入25名患者，其中22人完成了整个治疗计划。研究结果显示，33.3%的患者实现了病理完全缓解（pCR），48%的患者达到了临床完全缓解（图1）。该研究证明，CAPOX联合PD1抑制剂诱导治疗序贯长程放化疗和巩固化疗在治疗高危中低位直肠癌患者的安全性与有效性，有助于实现pMMR/MSS直肠癌患者更高的pCR率及器官保留。同时对队列肿瘤样本进行了全外显子组测序，对患者血液样本进行了ctDNA Panel检测，结果发现LRP1B基因的突变与高肿瘤突变负荷（TMB）和肿瘤新生抗原负荷（TNB）相关，同时高肿瘤突变负荷患者均在治疗中获益，突显了LRP1B基因作为该治疗方式下潜在生物标志物的预测价值.

深入理解肿瘤微环境中细胞和分子的动态变化是进一步优化现有治疗策略的重要基础。为此，北京大学肿瘤医院武爱文教授团队联合北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）张泽民课题组开展了深入持久的研究。联合研究团队对22名接受新辅助PD-1阻断治疗的CRC患者进行了持续追踪，通过连续多点采样，收集了共169例外周血、肿瘤和邻近正常组织样本，进而利用单细胞转录组测序(scRNA-seq)和单细胞TCR测序(scTCR-seq)技术，详细刻画了免疫治疗下动态的结直肠癌免疫图谱（图2）。

通过对治疗过程中TME细胞的行为模式进行分解，研究鉴定出TME中与免疫治疗响应程度密切相关的三个协同变化的细胞程序：三级淋巴结构程序（TLS-like program）、肿瘤富集程序（Tumor-enriched program）以及组织重构程序（Tissue-reconstruction program）。伴随治疗过程，两组响应患者中皆显示出三级淋巴结构相关的信号增强。此外，完全响应者中组织重构程序信号增强，提示逐渐趋于正常化的组织结构。而部分响应者显示出逐渐增强的肿瘤富集相关信号。研究者特别关注到耗竭T细胞在细胞程序中的突出作用，并通过TCR追踪的方式鉴定出肿瘤特异性CD8 T细胞群体(Ttr-like cells)。在基线水平该类群丰度更高的患者普遍显示出在免疫治疗后更优的疗效，完全响应的患者中终末耗竭亚群（Text）丰度降低，转而积累了更多具有前体特征亚群（Texp），而部分响应患者中则仍能观察到大量Text，提示PD-1阻断治疗在不同程度响应患者中对Ttr-like细胞耗竭过程的阻断效果存在差别。除此之外，研究者还发现外周循环在免疫治疗过程中的参与，并在在循环CD8+ T细胞中鉴定出一组与MHC II相关的基因指标，可在治疗前有效预测治疗响应（图3）。这一发现为预测PD-1阻断治疗疗效提供了新的分子标志物，有望在临床实践中进一步推动个体化医疗方案的制定。

该研究对新辅助免疫治疗前后不同响应人群的细胞和分子动态变化进行了高分辨率的解析。研究结果推进了目前对ICB治疗下对结直肠癌患者TME和全身免疫的理解，为精准治疗策略的进一步优化提供了新的思路。

上述研究成果是北京大学着力推进临床基础交叉融合的成果。临床团队成员包括北京大学肿瘤医院胃肠肿瘤中心武爱文教授、李英杰副主任医师、影像科张晓燕主任医师、病理科李忠武主任医师、张丽主治医师等；基础研究团队成员包括北京大学BIOPIC张泽民院士、王东方副研究员、博士研究生陈宇卿、北京大学肿瘤医院高宇晔博士研究生等。该研究受到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科学技术委员会和北京市医院管理中心相关基金资助。

参考文献

1. Chen Y, Wang D，Li Y, Lu Q, Si W, Bo Y, Chen X, Ye Z, Fan H, Liu B, Liu C, Zhang L, Zhang X, Li Z, Zhu L, Wu A, Zhang Z. Spatiotemporal single-cell analysis decodes cellular dynamics underlying different responses to immunotherapy in Colorectal Cancer. Cancer Cell 2024

2. 李英杰，张丽，董秋石，蔡勇，张扬子，王林，姚云峰，张晓燕，李忠武，李永恒，孙应实，王维虎，武爱文.程序性细胞死亡蛋白1抗体联合全程新辅助放化疗治疗高风险局部进展期中低位直肠癌患者的近期结局［J］. 中华胃肠外科杂志，2021，24（11）：998⁃1007

3. Li Y, Pan C, Gao Y, Zhang L, Ji D, Cui X, Zhang X, Cai Y, Zhang Y, Yao Y, Wang L, Leng J, Zhan T, Wu D, Gao Z, Sun YS, Li Z, Luo H, Wu A. Total Neoadjuvant Therapy With PD-1 Blockade for High-Risk Proficient Mismatch Repair Rectal Cancer. JAMA Surg. 2024;159(5):529-537.