绘制肿瘤免疫微环境遗传景观：探寻抗 PD-1 治疗响应的关键密码

本文利用协作杂交小鼠遗传资源，发现宿主遗传变异显著影响抗 PD-1（aPD1）免疫疗法的响应。研究绘制了相关定量性状位点（QTLs），确定关键免疫靶点，揭示了肿瘤免疫微环境（TIME）的遗传调控机制，为精准免疫治疗提供重要依据。

　　

研究背景

免疫检查点抑制剂（ICI）疗法在癌症治疗中展现出强大潜力，能使部分难治性转移性癌症患者实现长期缓解。然而，仅有 10%-40% 的患者对该疗法有明显响应。癌细胞的内在特征，如体细胞遗传改变、突变负荷、微卫星不稳定性和非整倍体等，以及肿瘤免疫微环境（TIME）的组成，都会影响免疫系统对癌症的响应。同时，宿主基因的遗传变异也可能通过改变 TIME，最终调节对 ICI 治疗的抗肿瘤反应。但目前对宿主遗传因素对 ICI 反应的详细研究较少，临床研究的复杂性使得难以精确识别调节 ICI 反应的基因。

研究方法

为解决上述问题，研究人员利用近交但遗传高度可变的协作杂交（CC）小鼠遗传资源和 F1 杂交策略，将具有固定基因组配置的同基因肿瘤植入具有不同但可定义和可重复宿主遗传背景的小鼠体内。通过这种方法，研究人员在多个不同的肿瘤模型中量化宿主遗传学对 ICI 反应的影响，并绘制影响抗 PD-1（aPD1）免疫疗法反应的定量性状位点（QTLs）。

研究结果

1. 建立研究 ICI 反应遗传学的平台：研究人员构建了基于 CC 小鼠的实验系统，选择了多种来自不同遗传背景的小鼠肿瘤细胞系，包括 MC38、CT26、AT3 和 EMT6。通过 F1 杂交方法，克服了肿瘤移植模型中基因多样化背景下的同种异体肿瘤排斥问题，创建了具有高遗传多样性且实验可重复性的 CCF1 肿瘤受体小鼠群体。
2. ICI 反应的变异具有遗传性：研究人员开发了一种量化方法，通过比较 ICI 治疗与同型对照抗体治疗对肿瘤生长的抑制程度，来衡量小鼠个体菌株对 ICI 的反应。在 MC38 系统中，不同 CCF1 菌株对 aPD1 的反应差异很大，从几乎完全缓解到无明显反应。通过定量遗传分析发现，在 MC38 模型中，约 40% 的 ICI 反应总变异可归因于遗传背景（广义遗传力 H²=0.40；p<1×10^?4）。在其他三个肿瘤模型中，也发现了显著的遗传性。此外，研究还排除了微生物组对 MC38 CCF1 系统中 ICI 反应的影响，并且通过对肿瘤细胞系的基因组分析，未发现与 aPD1 反应相关的明显基因组特征。
3. 识别 aPD1 反应 QTLs 及其上位性相互作用：研究人员对 MC38 CCF1 模型进行 QTL 定位，发现了与 aPD1 反应显著相关的位点，包括 Chr15 上的一个位点和多个亚阈值峰。为了细化这些亚阈值峰，研究人员构建了 CCF1N1 映射群体，通过特定的杂交设计，保证了 ICI 反应调节遗传变异在映射群体中的分离。在 CCF1N1 设计中，研究人员确定了 mChr5、mChr17 和 mChr9 上的显著 QTLs，并发现这些 QTLs 之间存在上位性相互作用。例如，mChr15 QTL 的作用受 mChr5 和 mChr17 QTL 的单倍型影响。
4. QTL 内的免疫基因是 CCF1 MC38 系统中 ICI 反应的关键驱动因素：研究人员对 MC38 肿瘤进行批量转录分析，发现 QTL 内的差异表达基因（DEGs）中，与免疫功能相关的基因显著富集。这些基因主要参与抗原加工和呈递、同种异体排斥和移植物抗宿主病等过程。其中，mChr17 QTL 包含了最多的与免疫功能相关的 DEGs，并且该 QTL 包含了整个 MHC 位点。此外，研究还发现，QTL 内的免疫 DEGs 与细胞免疫和免疫治疗反应相关的通路显著富集，而 QTL 外的免疫 DEGs 则富集在与抗癌免疫关系不明显的通路上。
5. 免疫表型分析揭示了与 ICI 反应性肿瘤免疫微环境相关的特定特征：研究人员通过对 MC38 肿瘤进行单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和流式细胞术分析，发现应答者和非应答者 CCF1 菌株的 MC38 肿瘤在细胞组成上存在差异。具体表现为，应答者肿瘤中抗原特异性 MHC I 类限制性四聚体特异性 CTL 和 PDL1^highMHC II 类^high巨噬细胞显著增加。通过 scRNA-seq 分析，研究人员还发现了两个在应答者菌株 MC38 肿瘤中显著富集的 CTL 亚群，以及与 IFN-γ 刺激相关的巨噬细胞亚群。空间转录组学分析显示，应答者菌株肿瘤中 IFN-γ 刺激的巨噬细胞与 CTL 存在共定位现象。
6. 将小鼠 ICI 基因与人类遗传和转录信号联系起来：研究人员发现，小鼠中 MHC 位点的变异与人类中 HLA 杂合性对 ICI 治疗反应的影响相似。在小鼠中，MHC 位点的杂合性与 ICI 反应改善相关。此外，研究还发现，人类中巨噬细胞极性相关的基因表达比（CXCL9/SPP1）与生存预后和 aPD1 反应相关，在 MC38 CCF1 系统中也观察到了类似的现象，即应答者菌株肿瘤在接受 aPD1 治疗后，CXCL9/SPP1 比值显著增加。
7. 体内阻断 GM-CSF 和 IL2RB 可逆转 aPD1 反应的转录特征：研究人员选择了两个位于 mChr15 上的候选 QTGs，即 Csf2rb（GM-CSF 受体）和 Il2rb（IL-2 受体 β 亚基），进行体内阻断实验。结果发现，阻断 GM-CSF 或 IL2RB 受体可显著降低 aPD1 治疗后 MC38 肿瘤中 CXCL9/SPP1 比值，使转录配置回到基线水平，甚至转变为遗传非应答者的配置。这表明，这些基因在调节 aPD1 反应中起着重要作用。

研究结论

本研究利用 CC 小鼠遗传资源，成功绘制了肿瘤免疫微环境的遗传景观，确定了影响 aPD1 治疗反应的宿主遗传因素。研究结果表明，宿主遗传变异对 aPD1 免疫疗法的反应具有显著影响，通过 QTL 定位和功能验证，确定了关键的免疫靶点和通路。此外，研究还发现小鼠模型中的结果与人类情况具有相关性，为进一步理解肿瘤免疫微环境的遗传调控机制提供了重要依据，也为开发更精准的 ICI 治疗策略奠定了基础。