期刊：Cell communication and signaling
影响因子：8.9
伯豪技术服务+产品：scRNA-seq、伯优®单细胞测序组织保存液
研究背景
肺癌和慢性阻塞性肺疾病（COPD）是全球主要的健康挑战，而两者在患者中的共存带来了独特的临床复杂性。同时患有肺腺癌（LUAD）和COPD的患者对传统化疗和靶向治疗的反应降低，但对免疫治疗表现出更高的敏感性。
实验材料
248例表型发现队列；6例（3例患有COPD，3例未患有COPD）未经治疗的LUAD患者的肿瘤样本、邻近正常组织和外周血进行单细胞转录组测序（scRNA-seq）；34例额外的未经治疗的LUAD患者中进行了多重荧光免疫组化（mfIHC）；65例接受免疫治疗的LUAD患者独立队列；
主要技术
scRNA-seq、伯优®单细胞测序组织保存液
（技术服务及科技产品由伯豪生物提供）
研究结果
1. 有COPD和无COPD的LUAD患者免疫治疗结果比较
研究纳入248名LUAD患者，其中140名患有COPD，108名未患COPD。两组患者在性别、年龄、吸烟史、PD-L1表达及肿瘤分期等方面无显著差异，且大多数患者接受了免疫治疗作为一线治疗。结果显示，尽管两组在标准免疫治疗疗效终点（如ORR、DCR和PFS）上无显著差异，但COPD组患者在血清肿瘤标志物（如CEA和NSE）的降低上更为显著。在4期患者中发现，COPD组的DCR更高，血清肿瘤标志物降低更显著。表明COPD可能与LUAD患者更有利的免疫治疗反应相关。
2. LUAD患者肿瘤细胞和肿瘤免疫微环境单细胞图谱
为阐明表型发现队列中发现的潜在机制，对来自3名有COPD的LUAD患者和3名无COPD的LUAD患者的肿瘤样本、邻近正常组织样本以及外周血单个核细胞（PBMCs）进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析（图1A）。基于marker基因将细胞类型识别出包括上皮细胞、髓系细胞、T/NK细胞、B细胞、增殖细胞、内皮细胞、成纤维细胞、肥大细胞和血小板九种细胞类型，并且在样本和样本类型中一致存在（图1B-D）。在肿瘤组织中，有COPD的LUAD患者的肿瘤样本（tC）有更低的肿瘤细胞比例和更高的免疫细胞比例（图1E）。在正常肺组织中，有COPD的LUAD患者的组织（nC）显示出更高的髓系细胞比例和更低的T/NK细胞比例，与COPD肺组织预期的炎症浸润表型一致。然而，tC显示出比无COPD的LUAD患者（tNC）更高的T/NK细胞比例和更低的髓系细胞比例。表明有COPD的LUAD患者的肿瘤表现出免疫学上“热”肿瘤的特征，即细胞毒性免疫细胞的浸润增加。在肿瘤和正常组织中，COPD组的B细胞比例均有所增加。两组患者的PBMCs分析显示，与无COPD的LUAD患者（pNC）相比，有COPD的LUAD患者的PBMCs（pC）显示出略低的髓系细胞比例，及T/NK细胞和B细胞略高的比例。
图 1
3. 上皮细胞的异质性和转录组特征
为深入研究有或无COPD的LUAD患者的上皮细胞的异质性，对上皮细胞进行了无监督聚类，得到肺泡I型（AT1）细胞、肺泡II型（AT2）细胞、基底细胞、纤毛细胞、Clara细胞等，以及五个全部来源于肿瘤组织无法被归类为正常细胞共12个细胞群（图2A-C）。通过inferCNV分析发现，这五个群拷贝数变异（CNV）水平显著升高，认定为恶性细胞（图2D）。通过拟时序估的他们的分化状态，与正常上皮细胞相比，五个肿瘤来源的上皮细胞簇在轨迹上处于不同的阶段（图2E）。并且发现，有COPD的LUAD患者恶性细胞的inferCNV水平更低，表明其恶性程度相对较低，在发育轨迹上也更接近正常细胞，且其转录组特征与无COPD患者存在显著差异（图2D-F）。人类白细胞抗原（HLA）在肿瘤抗原呈递和免疫反应激活中的关键作用，结果显示，有COPD的LUAD患者恶性细胞中HLA-I激活占主导，而无COPD患者中HLA-II激活占主导（图2G-J）。通过独立免疫治疗反应队列分析发现，HLA-I高表达的肿瘤患者预后较好，而HLA-II高表达的肿瘤患者预后较差（图2K-L）。
图 2
4. T细胞和NK细胞的分布及功能特征
对T/NK细胞进行细分注释得到NK_CD56+、NK_CD16+_C1和NK_CD16+_C2三种NK细胞亚群、CD4_Tn、CD4_Tem、CD4_Tex等七种CD4+ T细胞亚群、CD8_Tn、CD8_Trm、等四种CD8+ T细胞亚型，以及一个增殖的T细胞亚群（图3A和B）。这些细胞亚群在不同患者、样本类型以及有或无COPD的LUAD患者样本中表现出不同的分布（图3C）。与tNC相比，tC组的CD8+ T细胞和NK细胞的总体浸润水平更高，但CD4+ T细胞的浸润水平更低（图3D）。对于CD4⁺T细胞亚群而言，免疫抑制性的CD4_Tex和CD4_Treg细胞在肿瘤组织中相对于正常肺组织显著增加；与tNC相比，tC组CD4_Ctl细胞的比例更高，而CD4_S100A6⁺细胞的比例更低（图3E）。对于NK细胞，细胞毒性较强的NK_CD16⁺_C1细胞在伴随COPD的tC组和nC组富集，而细胞毒性较弱的NK_CD16⁺_C2亚型在非COPD患者中更为常见（图3F和G）。此外，CD8_Tem细胞的比例tC组相对于tNC组更高，CD8_Tex细胞的比例更低。这些结果表明，在患有COPD的LUAD患者的肿瘤免疫微环境中，具有细胞毒性潜力的肿瘤浸润免疫细胞的丰度有所增加。
图 3
5. CD8+T细胞的不同动力学和功能状态
CD8+ T细胞在肿瘤进展和免疫治疗反应中的关键作用，基于发育分支和进化时间过程，将这些CD8+ T细胞进行拟时序分析，分为六个阶段，包含八个细胞亚型（图4A-B）。分析结果显示，CD8+ T细胞从CD8_Tn（第1阶段）有效转变为具有高度细胞毒性的CD8_Tem（第2a、3、4、5阶段）和CD8_Trm（第2b阶段），最终发展为高度耗竭的CD8_Tex（第6a、6b阶段）细胞（图4C-D）。值得注意的是，尽管高度耗竭的晚期CD8+ T细胞在肿瘤组织中占主导地位，但来自COPD患者的CD8+ T细胞也包含一个具有高度细胞毒性的中间阶段CD8+ T细胞亚群（图4E）。这一结果通过mfIHC得到验证，与tNC相比，tC组的GZMK+CD8+ T细胞的数量和细胞毒性评分显著更高（图4F-H）。这些发现表明，与无COPD的患者相比，有COPD的LUAD患者的肿瘤免疫微环境（TIME）具有更强的肿瘤杀伤能力。特别是6b阶段细胞仅存在于肿瘤组织中，并且TIGIT、LAG3、PDCD1等免疫检查点相关基因的高表达为特征，可能有助于解释有COPD和无COPD的LUAD患者之间免疫治疗反应的差异。通过对CD8_Tex的表达谱差异分析发现，细胞毒性标记物GZMB和KLRD1在tC组高表达，免疫球蛋白相关基因包括IGHG4、IGKC、IGLC2等同样在tC组高表达，这反映了更强的促炎和抗肿瘤能力（图4I）;CTLA4、LAG3、TIGIT等基因在tN组的表达显著上调（图4J），这也意味着有COPD的LUAD患者可能对免疫治疗有更好的反应（图4J）。值得注意的是，在tN患者肿瘤浸润性CD8_Tex细胞中，与免疫治疗反应密切相关趋化因子配体13（CXCL13）的表达显著增加，并通过mfIHC进一步验证（图4K-M）。
在免疫治疗反应队列中，CXCL13高表达的患者对免疫治疗的反应更好（图4N）。这些发现表明，有COPD和无COPD的LUAD患者肿瘤浸润性CD8_Tex细胞之间的差异可能是导致免疫治疗反应差异的原因，COPD患者中CXCL13+ CD8_Tex细胞的高丰度可能发挥了关键作用。
图 4
6. 髓系细胞亚型的不同分布
对髓系细胞进行亚群细分，注释得到4个组织驻留巨噬细胞群、3个单核细胞衍生巨噬细胞群、3个单核细胞群、3个树突状细胞群、1个中性粒细胞群和1个增殖巨噬细胞群（图5A-B）。来自肿瘤和正常肺组织的髓系细胞在不同亚型之间分布较为平衡，而来自PBMC的髓系细胞主要由单核细胞和树突状细胞组成（图5C）。促炎、抗炎和HLA功能基因集的表达分析发现，TRM4表现出促炎基因的高表达水平，MDM1表现出促炎和抗炎基因特征；MDM2显示出对趋化因子（如CXCL9、CXCL10和CXCL11）和HLA-I类分子（包括HLA-A、HLA-B和HLA-C）的特异性高表达，表明其具有独特的促炎表型及与CD8+ T细胞存在相互作用；相反，MDM3表现出抗炎因子（如IL10、CD163和FOLR22）的特异性高表达（图5D）。M1和M2极化评分也表明，MDM2代表一种促炎的M1样巨噬细胞表型，而MDM3则对应一种抗炎的M2样巨噬细胞表型（图5E）。TRMs和MDMs主要来源于肿瘤和正常肺组织，TRMs在肿瘤和正常肺组织中的整体分布相对一致，MDM在nC组中的丰度更高，表明在受COPD影响的正常肺组织中同时存在促炎和抗炎状态，并且tC组的MDM2具有显著更高的促炎能力（图5F-G），这些发现突显COPD在促进或维持肿瘤组织中具有促炎功能的MDM2亚群中的作用。对DCs进行了全面分析发现，tC组有较低丰度的cDCs，较高丰度的mregDCs。此外，mregDCs表达共刺激分子（如CD40、CD80和CD86），表现出成熟的激活表型，这些分子有助于招募各种浸润性T细胞亚群，还表现出增强的迁移能力和免疫调节能力（图5H）。值得注意的是，树突状细胞的成熟评分与免疫调节和迁移评分呈正相关，这表明cDCs在成熟过程中会向引流淋巴结迁移，最终转变为mregDCs，并在肿瘤免疫微环境（TIME）中诱导免疫耐受（图5I-K）。因此，mregDCs在有COPD的LUAD患者肿瘤组织中的富集可能会增强这些患者对免疫治疗的反应性。
图 5
7. 免疫微环境中B细胞浸润和活性的增强
对B细胞进行亚群细分，注释得到naïve B cells、PCs和三个memory B cells亚群共5个细胞亚群（图6A-B）。无论是正常肺组织还是癌性肺组织，COPD患者的肺组织中B细胞/浆细胞的丰度均显著增加，这表明COPD促进了它们在肺肿瘤免疫微环境（TIME）中的积累（图6C）。来自tC组的记忆B细胞表现出更高的HLA基因表达水平（图6D）。对PC细胞进行差异分析及富集分析发现，tC组B细胞受体信号通路和抗原受体介导的信号通路等与免疫反应激活相关通路激活，tNC组与蛋白质稳态和凋亡信号通路相关激活（图6E-G）。并且tN组中浆细胞的免疫球蛋白亚型基因表达水平显著更高，表明其激活程度增加（图6H）。这些发现强调了有COPD的LUAD患者肿瘤组织中记忆B细胞更强的抗原呈递能力以及浆细胞增强的功能活性，这可能有助于肿瘤免疫治疗的反应性。
图 6
8. 恶性细胞和免疫细胞之间配体-受体细胞间相互作用的影响
为进一步探究恶性细胞与免疫细胞之间的相互作用，利用CellChat推断其配体-受体相互作用（图7A）。结果显示，在COPD条件下（tC），相互作用的总数和强度显著增加(图7B)，特别是在tC中，MDM2亚群的外向相互作用强度显著增加，表明MDM2在有COPD的LUAD患者中具有更高的功能活性；有趣的是，在tC中，CD4+ T细胞、CD8+ T细胞和NK细胞来自其他谱系（尤其是恶性细胞）的传入信号显著增强；mregDC细胞向恶性细胞和髓系细胞亚群发出的信号减弱，尤其是对癌细胞的影响更为明显（图7C）。进一步分析与肿瘤内免疫反应相关的CD4+ T细胞、CD8+ T细胞和NK所接收到的细胞信号，结果发现，在tC中，CD4+ T细胞以HLA-II为主，NK细胞和CD8+ T细胞则以HLA-I为主；这些发现表明，在tC中，免疫激活信号得到了增强，可能会提高免疫活性的程度（图7D）。深入了解MDM2对这三种免疫效应细胞类型的调控作用，结果表明，在tC中，这三种细胞类型从MDM2接收到的信号增强，主要涉及HLA-I、HLA-II、TNF、FN1、半乳糖凝集素以及其他促免疫信号通路（图7E）。
图 7
总结
研究发现，COPD患者的肿瘤细胞表现出更高的HLA-I表达和较不具侵袭性的表型。同时，这些患者的肿瘤免疫微环境（TIME）更为活跃，表现为自然杀伤（NK）细胞、效应CD4+ T细胞和效应CD8+ T细胞的浸润增加，以及表达免疫检查点基因的CXCL13+CD8+ T细胞和成熟调节性树突状细胞（mregDC）数量的增加。这些特征共同促进了COPD患者对免疫治疗的更好反应。本研究为针对COPD患者的LUAD治疗策略的优化提供了理论基础，为理解其增强的免疫治疗反应机制提供了全面的资源，并为开发新的免疫治疗增强方法铺平了道路。
参考文献：
Huang Y, Liang B, Chen X, et al. Enhanced immunotherapy response in lung adenocarcinoma patients with COPD: insights into tumor cells and immune microenvironment characteristics. Cell Commun Signal. 2025 Jul 4;23(1):324. doi: 10.1186/s12964-025-02332-7 . PMID: 40616101.
伯优®单细胞测序组织保存液专为人、小鼠等动物新鲜组织样本的保存和运输而设计。组织在4°C条件下保存72小时以内，可制备成高活率的细胞悬液，满足单细胞测序的实验要求。
