摘要：轉錄組測序助力挖掘三陰性乳腺癌組織免疫浸潤特征

引文：近期，華銀康集團高通量科研團隊助力深圳市龍華區婦幼保健院病理科團隊在Annals of Medicine（IF=4.71）發(fā)表了題為“Development of an immune-related prognostic biomarker for triple-negative breast cancer”的研究論文。

正文：

研究背景

乳腺癌是女性癌癥中最常見(jiàn)的，占女性所有癌癥病例的23%[1]。乳腺癌根據乳腺癌細胞表面受體狀態(tài)分為以下三種類(lèi)型：（a）雌激素受體（oestrogen receptor, ER）或黃體酮受體（progesterone receptor, PR）陽(yáng)性；（b）人表皮生長(cháng)因子受體2（epidermal growth factor receptor 2, EGFR2）陽(yáng)性，伴或不伴ER和PR陽(yáng)性；（c）三陰性乳腺癌（triple-negative breast cancer , TNBC），ER、PR和EGFR2表現為陰性[2]。TNBC患者的腫瘤免疫微環(huán)境（tumor immune microenvironment, TIME）具有高度復雜的組成異質(zhì)性，由不同的細胞類(lèi)型和無(wú)序的基因表達組成。有報道證明，腫瘤浸潤淋巴細胞的存在與TNBC患者更好的預后和對新輔助化療反應相關(guān)[3-5]。本研究旨在通過(guò)轉錄組挖掘TNBC患者TIME的細胞免疫浸潤特征，首先提出使用基于癌組織與癌旁組織中細胞類(lèi)群構成差異的免疫浸潤評分(Immune Infiltration Score, IIS)，通過(guò)機器學(xué)習方法建立的該模型可作為一種新型生物標志物指示TIME中免疫細胞浸潤的程度，可以清晰地區分癌組織和癌旁組織，確定關(guān)鍵的免疫相關(guān)預后生物標志物。

研究方法

首先，從30名TNBC患者處獲取乳腺癌組織和癌旁組織樣本，將組織解離后進(jìn)行轉錄組測序。然后，癌組織（CA）和癌旁組織（CAP）中的免疫細胞成分差異通過(guò)xCell分析來(lái)定量，并使用CIBERSORT和ESTIMATE評估TNBC樣本中的腫瘤浸潤免疫細胞含量和免疫浸潤狀態(tài)，以驗證xCell結果。為了識別TNBC患者癌組織中免疫浸潤水平的變化，提取顯著(zhù)差異細胞組成作為樣本的免疫譜并進(jìn)行Z-score標準化使細胞量可以被比較。接著(zhù)，分別將上調和下調的標準化后細胞量相加整合成2個(gè)指標，應用支持向量機（support vector machine, SVM）擬合包含上述2個(gè)指標的模型，以獲得可以作為TNBC免疫相關(guān)的預后生物標志物的IIS（圖1）。最后，來(lái)自TCGA的包含132名TNBC患者的數據集被用于驗證IIS的預測預后效能。

圖1 IIS評估模型的定義

研究結果

#1 TNBC患者的臨床病理特征分析

本研究中共納入30名成年TNBC患者，其中，乳腺癌細胞分化程度屬于II級的有13例，屬于III級的有17例（圖2）。II級患者和III級患者相比，在年齡、腫瘤大小、轉移灶情況和病理類(lèi)型上，差異不顯著(zhù)。

 
圖2 TNBC患者的臨床病理信息

#2 TNBC患者TIME中表現出獨特的免疫細胞浸潤狀態(tài)

在研究發(fā)現巨噬細胞、樹(shù)突狀細胞、粒細胞和其他先天免疫細胞在癌組織和癌旁組織中的浸潤有顯著(zhù)差異（圖3A）。在TNBC患者的TIME中，四種類(lèi)型的免疫細胞數量上調，包括CD8陽(yáng)性T細胞和TH1細胞、活化的樹(shù)突狀細胞 (aDC) 和巨噬細胞 (圖3A )；而有四種類(lèi)型的免疫細胞數量在TIME中下調，包括常規樹(shù)突狀細胞 (cDC)、中性粒細胞、CD4陽(yáng)性的T細胞和干細胞（圖3A）。在TIME中，固有免疫和適應性免疫均被激活，其中以TH1和B細胞為主的適應性免疫細胞顯著(zhù)提高（圖 3B中）。為了驗證該發(fā)現，研究者使用CIBERSORT評估同一數據集中免疫細胞類(lèi)型的組成，CIBERSORT結果與xCell結果是高度一致的，CD8陽(yáng)性T細胞、巨噬細胞和干細胞在xCell和CIBERSORT中都發(fā)生了顯著(zhù)變化（圖4A）。

  圖3 TNBC患者的癌組織和癌旁組織中免疫細胞組成比較   

  圖4 TNBC患者的癌組織和癌旁組織免疫浸潤水平在CIBERSORT、UMAP和IIS下的比較

#3 免疫浸潤評分（IIS）表現良好的分類(lèi)效能

從Z-score標準化后細胞免疫譜中可以獲取代表TIME細胞浸潤上升和下調水平的2個(gè)指標。通過(guò)UMAP對細胞免疫譜聚類(lèi)，可以發(fā)現不同組別的樣本被很好地分群，TNBC患者癌組織和癌旁組織在免疫浸潤水平上呈現明顯的差異，表明不同水平的免疫浸潤在塑造TNBC免疫微環(huán)境上發(fā)揮了重要作用（圖4B）。使用SVM擬合2個(gè)指標組合的模型IIS，結果也揭示了TNBC患者TIME的中免疫細胞組成的特異性（圖4C）。此外，IIS 評分模型還被應用在TNBC-TCGA隊列數據集上，結果顯示IIS表現出良好的分辨癌癥和癌旁組織的效能（圖5A），表明 IIS 評分模型可以在其他TNBC數據集中普適性。為了測試IIS是否對TNBC患者的預后具有預測能力，本文分析了來(lái)自TCGA包含132名TNBC患者的數據集[6, 7]，發(fā)現與IIS評分較低的患者相比，IIS評分較高的患者表現更高的PD-L1表達水平（圖5B）和更短的無(wú)進(jìn)展生存期（圖5C）。

圖5 TCGA的BRCA數據集中腫瘤和癌旁樣本中的IIS比較

總結

在本文中，研究者對30名TNBC患者癌組織和癌旁組織解離后進(jìn)行轉錄組測序，然后使用xCell來(lái)定量分析癌組織和癌旁組織樣本的細胞類(lèi)型成分差異，并通過(guò)機器學(xué)習方法首次建立基于TIME中免疫細胞成分的IIS模型，其作為一種新型生物標志物可以指示TIME中免疫細胞浸潤的程度。IIS隨后被進(jìn)一步推廣到TCGA隊列數據集上進(jìn)行驗證，結果顯示IIS評分較高的患者表現更高的PD-L1表達和更短的無(wú)進(jìn)展生存期，這說(shuō)明了IIS可用于預測患者預后和指導治療。因此，IIS提供了與診斷、治療和預后相關(guān)的TIME中免疫細胞組成的寶貴信息。

參考文獻

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7. Liu, J., et al., An Integrated TCGA Pan-Cancer Clinical Data Resource to Drive High-Quality Survival Outcome Analytics. Cell, 2018. 173(2): p. 400-416 e11.

助力科研

該研究轉錄組測序服務(wù)由華銀康集團高通量測序檢測中心提供。華銀康集團作為行業(yè)領(lǐng)先的健康服務(wù)企業(yè)，重視基礎研究成果轉化，轉錄組測序服務(wù)項目作為我司基礎優(yōu)勢項目，助力探索乳腺癌發(fā)生進(jìn)展的深層機制和闡明腫瘤免疫微環(huán)境的重要作用。

高通量測序檢測中心

中心定位于科研服務(wù)與臨床醫學(xué)轉化應用，圍繞基礎科研和臨床檢測兩大板塊，致力于生物醫學(xué)各領(lǐng)域的相關(guān)研究與測序大數據聯(lián)合分析，為各大高校、醫院和科研單位提供醫學(xué)科研項目的方案設計、測序實(shí)驗和數據分析為一體的一站式服務(wù)以及快速精準的臨床檢測服務(wù)，以成為業(yè)內領(lǐng)先的高通量測序服務(wù)中心為目標。

目前，我司高通量測序中心擁有Illumina和MGI等高通量測序儀組成的大規模高通量測序服務(wù)平臺，科研服務(wù)可提供涵蓋基因組學(xué)、轉錄組學(xué)（外泌體）、表觀(guān)組學(xué)、單細胞組學(xué)、微生物組學(xué)、免疫組庫、代謝組學(xué)、蛋白組學(xué)和多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析等組學(xué)基礎研究服務(wù)和高級生物信息分析；臨床服務(wù)包括遺傳性腎病基因檢測、血液腫瘤基因檢測、實(shí)體瘤基因檢測、感染性疾病病原體檢測等服務(wù)。

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