苏冰教授团队与合作者揭示结直肠癌天然淋巴细胞图谱 | Cell Press对话科学家
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2021年7月27日，上海交通大学医学院上海市免疫学研究所苏冰教授团队与合作者在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Medicine杂志发表题为“Single-cell transcriptomic landscape reveals tumor specific innate lymphoid cells associated with colorectal cancer progression”的学术论文。该研究通过单细胞转录组测序手段首次系统描绘了健康人及结直肠癌（Colorectal Cancer，CRC）患者外周血、癌旁及癌症组织中天然淋巴细胞（Innate lymphoid cells，ILCs）的细胞转录图谱，揭示了结直肠癌肿瘤特异的ILCs亚群，及潜在的肿瘤预后标志物SLAMF1，为进一步研究ILCs在结直肠癌中的功能及临床转化提供了新思路。
Cell Press细胞出版社微信公众号邀请论文作者对该论文进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。
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基于T细胞的免疫疗法已在临床应用中取得较大成功，然而只有少部分人从中获益。因此，亟需开发针对其他类型免疫细胞的免疫疗法。ILCs是一群非抗原依赖的、组织驻留型淋巴细胞，在调节机体抗病原体感染、炎症、组织修复过程中发挥重要作用。根据细胞因子及转录因子的表达情况，ILCs包含NK、辅助样ILCs（ILC1s、ILC2s、ILC3s）以及LTi细胞。关于NK细胞在癌症中的作用研究已相对深入，而辅助样ILCs在免疫反应中发挥着重要作用，其在重塑肿瘤免疫微环境中的作用也开始被报道，但相关机制仍有待进一步研究。
鉴于ILCs可以分泌大量不同功能的细胞因子，ILCs亚群既可以参与肿瘤免疫又可以促进肿瘤相关的炎症反应。如ILC1s分泌的促炎性细胞因子IFN-γ既可促进肿瘤发生，又可限制肿瘤生长；ILC2s分泌的IL-13在人乳腺癌及小鼠胰腺癌中可以激活髓系来源的抑制性细胞（Myeloid-derived suppressor cells，MDSCs）而其分泌的IL-5则可抑制小鼠肺癌的原位发生及转移；ILC3s在小鼠黑色素瘤和人非小细胞肺癌中可以抑制肿瘤作用，而ILC3s来源的IL-17及IL-22则可以促进肠癌发展。尽管已有报道显示结直肠癌（Colorectal cancer，CRC）患者肠道中存在大量的ILC1s亚群及异常低水平的ILC3s亚群，且ILC3/ILC1比值与CRC患者的疾病严重程度高度相关，但CRC环境下辅助样ILCs亚群的异质性、分子特征及功能状态仍不清楚。因此，领域内亟需解析人肠癌微环境下ILCs亚群的细胞图谱。
苏冰教授及合作研究团队通过单细胞转录组测序及生物信息手段研究了稳态及CRC情况下，外周血、癌旁及癌症组织中辅助样ILCs细胞亚群异质性。研究结果揭示，在正常癌旁组织中存在ILC1s、ILC3s、ILC3s/NK，但不存在ILC2s；而CRC组织中存在两群肿瘤特异的ILCs亚群，即ILC1-like细胞亚群（ctILC1-like）及ILC2s亚群。此外，CRC组织ILCs（ctILCs）特异高表达SLAMF1分子，并在CRC病人外周血检测到更高水平SLAMF1+ ILCs。相比低表达SLAMF1的结直肠癌患者，高表达SLAMF1的患者显示更长的生存期，提示SLAMF1可能是CRC中的一个抗肿瘤标志物。该研究证实了ILCs是CRC肿瘤微环境的一部分，猜测其在肿瘤微环境中可能起调节免疫或直接影响肿瘤细胞的作用。由于ILCs和T细胞共同存在于人类肿瘤中，并且两者存在共同的激活和抑制信号通路，因此，针对抗肿瘤ILCs的免疫疗法可能和针对T细胞的免疫疗法具有同样重要性。该研究为鉴定不同癌症中特异的ILCs亚群提供了新思路，为深入研究ILCs亚群的功能提供了理论基础，同时，为未来靶向ILCs的免疫疗法提供了可能性。
上海交通大学医学院齐晶晶、法国马赛大学Adeline Crinier为文章共同第一作者。上海交通大学医学院苏冰教授、沈蕾研究员、法国马赛大学Emilie Narni-Mancinelli教授、Eric Vivier教授为该文章的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、上海市科学技术委员会先导项目的支持。该项目得到瑞金医院王正廷副主任医师团队的合作和鼎力支持。项目也得到上海市免疫学研究所叶幼琼研究员和陈磊研究员给予的支持。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：
天然淋巴细胞（ILCs）是组织常驻的淋巴细胞，并常见于各种癌症中，但是关于其在癌症免疫及治疗方面的作用却知之甚少，请问关于这方面的研究存在哪些难点？
苏冰教授及其团队：
我们这里主要谈论的辅助样天然淋巴细胞，即主要指ILC1s、ILC2s及ILC3s。其研究难点主要包括几个方面：1）ILCs的发现相对较晚及在癌症研究中起步晚，其中ILC3s于2009年，ILC2s于2010年，而ILC1s则于2013年；并且早期关于ILCs的研究侧重于免疫调节、组织修复及神经互作等，关于在癌症中的研究则相对薄弱；2）ILCs细胞的标志物不够明确，此外其与传统的T细胞的分子特征具有很大相似性，传统方法较难鉴定；3）种属保守性有待确定，目前基于ILCs的研究在小鼠中较多，而临床病人肿瘤中ILCs的特征及其肿瘤特异性亚群有待全面描述，亟待寻找不同种属中的ILCs共性，并使用疾病动物模型等进一步探索细胞功能；4）细胞占比低，实验难度较大，基于ILCs的免疫治疗需要建立完善的体外培养体系以评估其在免疫治疗中的作用。
CellPress：
请问单细胞转录组测序在本研究中发挥了怎样的作用？
苏冰教授及其团队：
自2009年汤富酬教授率先开发出单细胞转录组测序（Single-cell RNA-seq，scRNA-seq）以来，scRNA-seq得到快速发展，并广泛应用在发育、肿瘤微环境等领域。本研究中主要是利用scRNA-seq在绘制稀有细胞群体特征方面的优势，通过分选含量极低的CD45+Lin-CD127+ ILCs并利用基于Drop-seq的10X Genomics技术全面描述了健康和结直肠癌病人外周血、癌旁及癌症组织中ILCs的图谱特征。scRNA-seq为ILCs亚群的鉴定，组织间ILCs的异质性解析，ILCs亚群的特异标记基因寻找等提供给了强有力的支持，也为进一步挖掘基于ILCs免疫治疗提供了可操作方法。
CellPress：
请问ILCs在健康状况和结直肠癌（CRC）中的表征有何差异？
苏冰教授及其团队：
主要包括两大方面的差异，一是健康状况和CRC状况下ILCs亚群的差异。我们研究发现，无论在健康还是CRC情况下，外周血ILCs亚群均分为ILC1s、ILC2s及ILC3s三个亚群；而癌旁的肠道组织中主要包含ILC3s、ILC1s及ILC3/NK细胞亚群，肠癌组织则除了ILC3s、ILC1s亚群外还有一群ILC2s及ILC1s-like细胞群。其中ILC1s-like细胞群特异表达免疫检查点TIGIT。癌旁组织ILC3s呈现明显的供体异质性，而在肠癌中ILC3s则没有这种特征，这可能受肠道菌群的影响。另外，当我们对健康病人外周血和CRC病人外周血来源的ILCs或者健康肠道（癌旁）及肠癌组织来源的ILCs进行非监督层次聚类分析可以明显看出，ILCs根据疾病状态呈现明显的分群，说明肿瘤微环境可以改变了ILCs的转录组特征。另一个ILCs总体特征差异，我们分别对血液及组织中ILCs的差异表达基因进行交集分析发现，在CRC病人外周血及肠癌组织中ILCs存在四个上调的基因（SLAMF1、HPGD、TLE4及PRDM1）和一个下调的基因（AQP3）。其中SLAMF1编码表面蛋白：信号淋巴细胞激活分子家族成员1，因此我们也通过流式细胞术证明了结直肠癌组织及外周血含有更高水平的SLAMF1+ ILCs。
CellPress：
SLAMF1在肿瘤ILCs中特异性表达，并且在CRC患者血液中表达水平更高，提示了什么？
苏冰教授及其团队：
SLAMF1在CRC患者外周血及肿瘤里ILCs均高表达，提示SLAMF1可能作为CRC潜在的肿瘤标志物。进一步研究SLAMF1对CRC患者外周血及CRC组织ILCs功能的异同，将有助于利用其共性及抗肿瘤能力用于CRC的免疫治疗。
CellPress：
本研究已经揭示了ILCs在不同健康状态下的单细胞表征，并证明SLAMF1是CRC中的抗肿瘤生物标记物，那么您接下来的研究重点是什么？
苏冰教授及其团队：
接下来主要围绕几个问题展开：鉴于CRC外周血中存在高水平的SLAMF1+ ILCs，其能否作为肠癌的诊断标志物？从动物模型及体外培养等实验解析SLAMF1能否作为调控因子调控结直肠癌ILCs的功能，其上游分子是否受肿瘤微环境及肠道微生物环境的调控？能否开发SLAMF1的激动剂或者激动抗体，其未来对病人的治疗效果如何？此外，鉴于CRC中存在TIGIT+ ILC1s-like细胞群及ILC2s亚群，未来我们将进一步研究这两群细胞在结直肠癌中的作用，并探寻这两群细胞在CAR-ILCs及癌症免疫治疗疗法中应用的可能性。
作者介绍
苏冰
教授
苏冰教授是上海交通大学王宽诚讲席教授，担任上海市免疫学研究所所长，上海交通大学医学院免疫与微生物系系主任，上海交大医学院-耶鲁大学免疫代谢联合研究院主任。其研究团队长期致力于肠道黏膜免疫及肠道相关疾病的研究，取得了一系列突破性科学发现和成果。相关工作以通讯作者发表于国际顶尖杂志包括Cell，Nature Genetics，Nature，Nature Immunology，Immunity，EMBO J， Blood，Mol Cell等杂志。
齐晶晶
博士
齐晶晶博士是上海交通大学医学院2017级博士研究生，并于2018年加入苏冰教授课题组，主要从事天然淋巴细胞及结直肠癌免疫微环境方面的研究。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Medicine上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Single-cell transcriptomic landscape reveals tumor specific innate lymphoid cells associated with colorectal cancer progression
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-reports-medicine/fulltext/S2666-3791(21)00202-0
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2021.100353
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