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空间转录组技术用于免疫治疗的研究与展望

2021.2.23

肿瘤免疫治疗现状
近年来，免疫疗法，这种通过激活患者的免疫系统来杀死癌细胞的策略，已成为对抗癌症的新希望。目前的免疫疗法主要基于癌症疫苗，细胞因子（例如白介素2），继细胞转移（ACT）和免疫检查点抑制。基于他们的特点，特别针对程序性细胞死亡-1 /程序性细胞死亡配体1（PD-1 / PD-L1）途径的免疫检查点抑制剂已被批准为用于黑色素瘤，淋巴瘤和其他恶性肿瘤。

但是，现有研究显示，只有少数患者对治疗有积极反应，一些患者最终因治疗而产生抗药性或遭受不良反应和自身免疫毒性。而出现这种不良反应的原因部分归因于肿瘤微环境（TME）的动态组成。在这里，肿瘤细胞，浸润的免疫细胞和间质之间的复杂相互作用以及免疫细胞群的位置和密度会影响疾病的进展和对治疗的反应。因此，理解肿瘤的空间信息至关重要，因为可视化肿瘤与介导免疫监视的各种细胞之间的相互作用将增进我们对致病机制和潜在药物的了解。空间背景，包括细胞间距离和特征异质性，也可以与临床结果相关联，以鉴定对免疫疗法反应的预测性生物标志物。同时，分析当前的免疫治疗策略如何改变TME结构和免疫环境也可以帮助指导未来的治疗方法。

空间转录组检测技术特点
空间转录组检测技术逐渐受到广大研究学者的青睐，其不仅可以提供研究对象的转录组数据信息，同时还能定位其在组织中的空间位置，这将有助于确定肿瘤异质性的来源，并揭示致病机制、潜在的药物靶标和新型生物标志物。因此，运用该技术可以分析免疫治疗如何改变TME结构和免疫环境，TME中肿瘤细胞，脂肪组织，血管，三级淋巴结构和基质之间的动态相互作用。

现有的空间转录组检测技术主要有基于原位（in situ）高分辨率的SeqFISH，MERFISH，ISS技术和基于空间Barcode标记的高通量ST（Spatial transcriptomics）技术。其中，Visium空间转录组技术是ST技术的升级版，通过使用空间条形码的脱氧核苷酸微阵列，能够对完整组织切片中的转录组进行定量可视化和分析。

图1 Visium空间基因表达解决方案

Visium空间基因表达解决方案与第一代ST技术相比，具有更强的功能，例如更高的分辨率和更高的灵敏度。通过10× Genomics官方提供的分析工具可将基因表达数据映射到 H&E 图像上，用 RNA 表达和形态学特征来表征组织，从而获得组织切片完整的生物学图谱。此外，还可将空间转录组与单细胞转录组整合分析，在识别不同细胞群的同时保留空间背景，提供组织微环境中细胞功能、表型和位置关系的关键信息。

图2 Visium空间基因表达解决方案流程

空间转录组测序用于免疫治疗研究
空间转录组学技术在最近几年的癌症免疫疗法中发展迅速。常规的，如FISH和RNAscope是诊断和预测癌症的有用临床工具，但都存在一些较大的限制。而Visium技术，通过实现具有前所未有的分辨率和灵敏度的转录组分析技术，克服了通量上的局限性。该技术的普及将为癌症免疫学领域带来了全新的进展，因为它使人们能够发现新的生物标志物，可用于预测对免疫疗法的反应，发现独特TME的异质性以用于个性化治疗方法。将空间检测技术与降维技术（例如UMAP）结合使用，可以可视化肿瘤微环境的免疫情况，这将提供有关肿瘤边界和基质周围免疫细胞的关键信息，并可与临床结果相关以确定预测性生物标志物。这方面，例如，由于肿瘤内组织的低氧也可能导致肿瘤微环境的异质性，因此低氧梯度的可视化对于确定治疗抵抗力和预后至关重要。因此，将缺氧梯度可视化结合可以帮助提供异质性肿瘤微环境的更全面的理解。

图3 组织样本中低氧梯度可视化展示

展望
尽管Visium在市场上相对较新，但10x Genomics最近发布了一种新的产品，允许IF染色而不是常规的H＆E染色。通过以这种方式将全转录组分析与蛋白质检测相结合，研究人员可以通过同时显示共定位的蛋白质和基因表达来在组织内空间定位细胞种群及其基因表达谱。通过不断的改进，Visium技术具有巨大的潜力，可以为免疫疗法的改进和升级提供强有力的数据基础。

参考文献：Nerurkar, S.N.; Goh, D.; Cheung, C.C.L.; Nga, P.Q.Y.; Lim, J.C.T.; Yeong, J.P.S. Transcriptional Spatial Profiling of Cancer Tissues in the Era of Immunotherapy: The Potential and Promise. Cancers 2020, 12, 2572.

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周锦帆