《科学》:天文学+病理学=癌症免疫疗法新法宝

【字体: 时间:2021年06月11日 来源:生物通

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  ​在过去的 40 年里,癌症的病理学分析一次只检查一个标志物,提供的信息有限。显著利用新技术,可以同时对多达12个标志物进行成像。

  

约翰霍普金斯大学彭博-金梅尔肿瘤免疫治疗研究所的研究人员将天空映射算法与癌症活检的高级免疫荧光成像相结合,开发了一个强大的平台,通过预测哪些癌症会产生反应来指导癌症免疫治疗。

这个新平台被命名为AstroPath,它将天文图像分析和映射、病理标本相结合,分析肿瘤的显微图像。相关成果公布在Science杂志上。

免疫荧光成像使用带有荧光标签的抗体,使研究人员能够同时观察多种细胞蛋白质,并确定它们的表达模式和强度。研究人员应用 AstroPath 研究了黑色素瘤,这是一种侵袭性皮肤癌。他们通过检查肿瘤块内癌细胞内部和周围的免疫细胞来表征黑色素瘤活检中的免疫微环境,然后确定了一种复合生物标志物,其中包括六个标志物,可以高度预测患者对特定类型的称为抗 PD 的免疫疗法的反应。

PD-1是一种在免疫系统T细胞上发现的蛋白质,当它与另一种称为PD-L1(程序性死亡配体)的蛋白质结合时,可帮助癌细胞逃避免疫系统的攻击。抗PD-1 药物阻断PD-1 蛋白,可以帮助免疫系统看到并杀死癌细胞。研究人员解释说,只有一些黑色素瘤患者对抗PD-1 疗法有反应,预测反应或抵抗的能力对于为每个患者的癌症选择最佳治疗方法至关重要。

AstroPath 平台也被应用于肺癌研究,并有可能为许多其他癌症提供治疗指导。该研究团队由彭博-金梅尔研究所Janis Taube 博士和Alexander Szalay博士等领导完成。

 “在过去的 40 年里,癌症的病理学分析一次只检查一个标志物,提供的信息有限。利用新技术,可以同时对多达12个标志物进行成像的仪器,AstroPath 成像算法提供了比目前通过常规病理学可获得的单一活检多了 1,000 倍的信息内容。这有助于精确的癌症免疫疗法,识别每个患者癌症的独特特征,预测谁会对特定的免疫疗法(例如抗 PD-1)产生反应。”

AstroPath 平台的基础是图像分析技术,通过Sloan Digital Sky Survey创建数据库,后者是由天体物理学家 Szalay构建的大型宇宙数字地图,

正如Sky Survey在天文尺度上绘制宇宙图一样,约翰霍普金斯大学Taube也在微观尺度上绘制肿瘤和免疫细胞图。

AstroPath 使用 Akoya Biosciences 的多重免疫荧光 (mIF) 技术——用不同颜色的荧光分子标记每个感兴趣的蛋白质——来量化肿瘤微环境 (TME) 的许多细胞和分子特征。 AstroPath 的天体映射算法分析由 mIF 成像产生的数百万个细胞的庞大数据集,并将多个荧光图像“场”“缝合”在一起。这在安装于具有单细胞分辨率的显微载玻片上的整个组织切片上创建了 TME 的二维多色视觉图,并使研究人员能够详细了解肿瘤细胞与周围组织相互作用的方式和位置,包括免疫系统。它可以放大和缩小,查看单个细胞的空间特征以及单个细胞对不同标记的表达组合,最后是这些标记的表达强度。

“肿瘤内不同类型细胞的空间排列很重要,”Taube 说,“基于直接接触以及局部分泌的因子,细胞相互发出通过/不通过信号。量化表达特定蛋白质的细胞之间的接近程度有可能揭示这些地理相互作用是否可能发生,以及哪些相互作用可能导致抑制免疫细胞杀死肿瘤。”

“在天文学中,我们经常问,'星系彼此靠近的概率是多少?'”Szalay 说,“我们对癌症应用相同的方法——观察肿瘤微环境中的空间关系。这是一个完全不同的问题。”

在最新研究中,研究人员使用 AstroPath 平台来表征晚期黑色素瘤患者肿瘤标本中癌细胞和免疫细胞上 PD-1 和 PD-L1 的表达,这些患者随后接受了抗 PD-1 免疫治疗。他们还可视化了由不同类型的免疫细胞表达的另外三种蛋白质——CD8、CD163 和 FOXP3,最后是肿瘤细胞本身的标记物 Sox10/S100。

研究小组发现,这些标志物在肿瘤特定细胞上的特定表达模式和强度可以强烈预测哪些患者在抗PD-1 治疗后会产生反应并存活下来。

“大数据正在改变科学。应用无处不在,从天文学到基因组学再到海洋学,”Szalay 说,“数据密集型科学发现是一种新范式。我们面临的技术挑战是如何在大规模收集数据时获得一致、可重复的结果,AstroPath 是朝着建立通用标准迈出的一步。”

“接下来是重要的步骤。我们需要多机构研究表明这些测试可以标准化,然后进行前瞻性临床试验,将 AstroPath 的下一代诊断潜力带到患者护理中,”Taube 说。除了开发新的伴随诊断外,该团队的长期目标还包括构建一个开源的肿瘤免疫图谱,类似于美国国家癌症研究所的癌症基因组图谱。

“天文学中先进绘图技术的应用有可能识别出预测性生物标志物,这些生物标志物将帮助医生为个体癌症患者设计精确的免疫疗法,这些早期结果令人兴奋。”

(生物通:万纹)

原文标题:

Analysis of multispectral imaging with the AstroPath platform informs efficacy of PD-1 blockade

https://science.sciencemag.org/content/372/6547/eaba2609

 

 

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