2023年11月，復(fù)旦大學(xué)鄒欣/郝潔團(tuán)隊(duì)在Cell Reports Methods 以長文形式發(fā)表了題為：“scCURE identifies cell types responding to immunotherapy and enables outcome prediction”的論文，從免疫治療相關(guān)細(xì)胞動(dòng)態(tài)異質(zhì)性的角度提出了一個(gè)腫瘤免疫治療研究新思路。同期，團(tuán)隊(duì)在Journal of Translational Medicine以長文形式發(fā)表“Integrative multi-omics analysis unveils stemness-associated molecular subtypes in prostate cancer and pan-cancer: prognostic and therapeutic significance”，使用單細(xì)胞和bulk數(shù)據(jù)整合方式構(gòu)建基于干性特征的腫瘤分子分型模型，用于預(yù)測免疫治療療效。

一.

scCURE

單細(xì)胞RNA測序(scRNA-seq)顯著推進(jìn)了我們對(duì)不同類型細(xì)胞如何響應(yīng)免疫治療的理解。然而，盡管取得了這些進(jìn)展，免疫治療的機(jī)制基礎(chǔ)和預(yù)測模型仍存在不一致性。例如，一些研究報(bào)告了不同的細(xì)胞亞型與這兩個(gè)方面分別相關(guān)，但沒有明確的解釋。這些不一致性可能源自未經(jīng)表征的細(xì)胞間異質(zhì)性。

為了解決這個(gè)問題，我們提出了scCURE，利用模式識(shí)別建模來區(qū)分免疫治療過程中發(fā)生變化和未發(fā)生變化的細(xì)胞。我們假設(shè)這些可能的細(xì)胞異質(zhì)性可以分為兩種主要類型：1) 變化的細(xì)胞。這些細(xì)胞的動(dòng)態(tài)特征反映了患者對(duì)免疫治療的響應(yīng)方式。2) 未變化的細(xì)胞。來自治療前后樣本的這類細(xì)胞具有類似的細(xì)胞和分子功能，差異主要由無關(guān)因素引起，例如批次效應(yīng)和隨機(jī)噪聲。未變化細(xì)胞的基線特征可能提供治療結(jié)果的預(yù)測信息。為了捕捉這種異質(zhì)性，關(guān)鍵在于區(qū)分免疫治療誘導(dǎo)的細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變和其它無關(guān)變化。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，scCURE包括以下主要步驟：1) 分類模型構(gòu)建。使用期望最大化(EM)方法對(duì)治療前后條件下的細(xì)胞分別進(jìn)行訓(xùn)練，使用預(yù)定義的K個(gè)高斯模型進(jìn)行訓(xùn)練。根據(jù)最大似然準(zhǔn)則，將每個(gè)細(xì)胞分配給特定的高斯模型。假設(shè)數(shù)據(jù)集由K個(gè)亞型/功能類別的細(xì)胞組成，在每個(gè)亞型/功能類別內(nèi)，細(xì)胞是同質(zhì)的。因此，每個(gè)亞型/功能類別可以建模為一個(gè)高斯分布。具有不同參數(shù)的多個(gè)高斯分布的組合可以用來近似真實(shí)世界的單細(xì)胞數(shù)據(jù)。假設(shè)高斯模型的數(shù)量足夠多，可以充分描述細(xì)胞異質(zhì)性，一個(gè)高斯模型代表變化或未變化的細(xì)胞。2) 變化和未變化細(xì)胞的區(qū)分。為了區(qū)分代表變化和未變化細(xì)胞的高斯模型，我們窮盡了治療前后兩個(gè)條件之間所有可能的高斯模型對(duì)，并計(jì)算它們之間的KL散度。如果來自兩個(gè)條件的一對(duì)高斯模型在KL散度方面彼此最接近，那么分配給這兩個(gè)高斯模型的細(xì)胞不應(yīng)該包含系統(tǒng)性變化，這些細(xì)胞被注釋為未變化；否則，它們被注釋為變化。根據(jù)未變化細(xì)胞的特征，我們構(gòu)建了一種免疫治療預(yù)測得分。此外，從變化細(xì)胞中解釋出的免疫治療反應(yīng)/抵抗機(jī)制可以與預(yù)測模型很好地結(jié)合。scCURE的示意圖如圖1所示。

圖1. scCURE流程圖。

1、模擬數(shù)據(jù)顯示了scCURE的高可靠性

我們比較了已有方法MNN 和CCA，并通過多種度量如PPV、F1 score和AUC等評(píng)估不同方法的可靠性。

圖2. 模擬數(shù)據(jù)結(jié)果顯示scCURE在可靠性上明顯優(yōu)于已有CCA和MNN方法。這是構(gòu)建精準(zhǔn)免疫治療研究模型的保證。

2、基于未變化CD8+ T細(xì)胞構(gòu)建黑色素瘤免疫治療預(yù)測模型

通過分別比較治療前-治療后（響應(yīng)）的樣本和治療前-治療后（不響應(yīng)）的樣本，scCURE在治療前的樣本中判定出了R-like和NR-like細(xì)胞，分別代表響應(yīng)特征和不響應(yīng)特征。細(xì)胞亞型判定顯示R-like主要是na?ve型特征，NR-like主要是終末耗竭型特征，這與已有知識(shí)相吻合。基于R-like和NR-like細(xì)胞比例，在小樣本中我們顯示了該細(xì)胞比例特征具有很好的免疫治療療效預(yù)測能力（圖3E）。

圖3. scCURE判定的不變的CD8+ T細(xì)胞在基線狀態(tài)的特征預(yù)測免疫治療療效。

3、基于變化的CD8+ T細(xì)胞進(jìn)行研究免疫治療研究

基于在響應(yīng)病人中變化的CD8+ T細(xì)胞在治療前后變化的特征，我們可以總結(jié)出免疫治療促使na?ve型的和終末耗竭型的T細(xì)胞向初始耗竭型亞型轉(zhuǎn)變（圖4）。我們?cè)诜琼憫?yīng)患者樣本中也觀察到了類似的特征。

圖4. 免疫治療促使CD8+ T細(xì)胞的激活。

4、基于scCURE的免疫治療中巨噬細(xì)胞研究

與CD8+ T細(xì)胞不同的是，我們觀察到在響應(yīng)患者中巨噬細(xì)胞會(huì)被免疫治療激活。相反，在非響應(yīng)患者中，巨噬細(xì)胞的抗腫瘤特征會(huì)在治療后失活。這顯示了療效預(yù)測模型在腫瘤精準(zhǔn)治療中的重要性。同時(shí)，細(xì)胞間通訊顯示在響應(yīng)患者中，CD8+ T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞具有明顯的協(xié)同作用（圖5G），而該現(xiàn)象沒有在非響應(yīng)患者中發(fā)現(xiàn)。

圖5.免疫治療響應(yīng)患者中的巨噬細(xì)胞動(dòng)態(tài)特征。

二.

基于單細(xì)胞和bulk數(shù)據(jù)的前列腺癌干性分型研究

前列腺癌（PCA）是全球第五大導(dǎo)致癌癥相關(guān)死亡的原因，晚期的治療選擇有限。PCA的免疫抑制性腫瘤微環(huán)境（TME）導(dǎo)致其對(duì)免疫治療的敏感性降低。盡管分子亞型分類有望為PCA的精準(zhǔn)治療提供重要線索，但目前仍然缺乏臨床實(shí)踐中可靠和有效的分子分類方法。因此，我們旨在提出一種基于干性特性的新型分類方法，以指導(dǎo)包括免疫治療在內(nèi)的PCA個(gè)體化臨床治療。

我們首先進(jìn)行了PCA的綜合多組學(xué)分析，以評(píng)估干細(xì)胞水平的異質(zhì)性。采用無監(jiān)督的層次聚類方法，基于干性特征基因?qū)CA進(jìn)行分類。為了使患者分類更具臨床應(yīng)用性，我們使用四個(gè)PCA數(shù)據(jù)集和76種機(jī)器學(xué)習(xí)算法共同開發(fā)了一個(gè)干性亞型預(yù)測模型。

圖6顯示了干性特征與臨床特征的廣泛關(guān)聯(lián)性。基于單細(xì)胞數(shù)據(jù)和bulk數(shù)據(jù)，我們構(gòu)建了一個(gè)干性分型模型，將PCA患者分成3個(gè)亞型（圖7b）。

圖6.干性特征與前列腺癌臨床特征的廣泛關(guān)聯(lián)性。

圖7.干性特征分型模型構(gòu)建。

圖8顯示了不同的干性分型患者具有不同的臨床特征，基因突變特征和表觀遺傳特征。

圖8.不同干性分型患者的多組學(xué)特征。

圖9顯示了我們提出的干性分型模型可以用于預(yù)測患者對(duì)ICB免疫治療的響應(yīng)。

圖9.不同干性分型患者對(duì)ICB免疫治療具有不同的響應(yīng)特性。

論文的通訊作者為復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院郝潔研究員，復(fù)旦大學(xué)附屬金山醫(yī)院鄒欣副研究員。論文的主要參與人員包括上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院鄭坤，復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院劉宇峻等。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（82170045，31800253），上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院高水平地方高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì) (SSMU-ZLCX20180502)的支持。

SBC中心實(shí)驗(yàn)室

SBC中心實(shí)驗(yàn)室聚焦單細(xì)胞、空間多組學(xué)前沿技術(shù)，圍繞基因組、表觀組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組和微生物組等多維組學(xué)研究，以國際一流水平的技術(shù)平臺(tái)，二十余年專業(yè)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，打造創(chuàng)新產(chǎn)品服務(wù)體系，高效助力科學(xué)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)。中心始終以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，堅(jiān)持創(chuàng)新，服務(wù)國家重大戰(zhàn)略任務(wù)，推動(dòng)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用和帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展。長期舉辦學(xué)術(shù)論壇、專題研討會(huì)、前沿技術(shù)培訓(xùn)，為數(shù)十家跨國制藥企業(yè)和上千家國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)、院校、醫(yī)院提供系統(tǒng)全面一站式的科研與轉(zhuǎn)化解決方案，日益發(fā)揮面向生物醫(yī)藥全行業(yè)功能效益和策源動(dòng)力。