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Nature Biotechnology | 一张组织切片,同时读取突变、TCR与细胞状态:肿瘤免疫研究迈向空间配对

来源:生物探索 发表时间:2026-07-28 阅读:0
过去,研究人员通常分别回答三个问题:肿瘤细胞表达了什么突变?组织里有哪些T细胞受体(T cell receptor,TCR)?这些细胞位于哪里?问题在于,分开获得的答案很难重新拼回同一场免疫反应。
7月22日,《Nature Biotechnology》的研究报道“Single-nucleus multimodal spatial transcriptomics reveals spatial colocalization of neoantigen-expressing tumor cells and cognate T cells”,开发的Slide-GoTags试图改变这一局面:在同一张冷冻组织切片上,同时读取单个细胞核的空间位置、转录状态、突变基因型和TCR序列。它不仅记录“谁在场”,还追问一个更接近免疫学本质的问题——携带特定TCR的T细胞,是否出现在表达对应新抗原的肿瘤细胞附近?

从“细胞清单”到“免疫关系图”

新抗原通常来源于肿瘤细胞的非同义体细胞突变(nonsynonymous somatic mutation)。突变产生的异常多肽若能被人类白细胞抗原(human leukocyte antigen,HLA)呈递,就可能被TCR识别。

然而,仅靠突变预测并不能证明一个新抗原确实被表达、呈递和识别;仅靠TCR测序,也无法得知某个T细胞克隆在追踪什么目标。传统单细胞测序还会在组织解离过程中丢失空间信息:两个细胞即使在数据中同时出现,也可能在原组织中相距甚远。

Slide-GoTags的处理对象是20微米厚的冷冻组织切片。研究人员先为空间位置加上条形码,再进行基于液滴的单核RNA测序(single-nucleus RNA sequencing,snRNA-seq)。在同一份互补DNA(cDNA)文库中,他们又定向富集突变位点和TCR的互补决定区3(complementarity-determining region 3,CDR3),并借助长读长测序恢复突变状态及较完整的TCR序列。

共享的细胞条形码最终把四层信息连接起来:这个细胞是谁、表达什么、携带哪种突变、位于组织何处。

第一次测试:能否在组织中找到“已知的追捕关系”?

研究人员首先采用一个答案相对明确的小鼠结直肠癌模型。部分MC38肿瘤细胞被设计为表达SIINFEKL抗原,而输入小鼠体内的OT-I T细胞具有识别该抗原的已知TCR。

Slide-GoTags获得了2938个高质量细胞核,其中1957个成功完成空间定位,比例为67%。在185个根据基因表达鉴定的T细胞中,其TCRα链和TCRβ链的检出数量,分别是常规10x Genomics单细胞V(D)J测序的2.6倍和3.6倍;在人黑色素瘤样本中,相应提升达到11.8倍和13.6倍

在能够检出TCR的T细胞中,OT-I克隆占64%。研究人员还在70个表达SIINFEKL转录本的肿瘤细胞中,通过靶向基因分型检出了其中61%。基因表达与靶向分型结果具有较强一致性,相关指标为φ=0.80、F1=0.76。也就是说,这套方法能够在保留组织坐标的同时,把已知抗原与对应TCR重新放回同一张图上。

这一步很重要。只有先找回一组已知答案,才能进一步判断:当抗原与TCR关系未知时,空间邻近能否帮助研究人员缩小候选范围。

抗PD-1之后,T细胞不只是“变多了”

接下来,研究人员分析了接受抗PD-1或抗CTLA-4治疗的小鼠MC38肿瘤。两个治疗组各有3只小鼠;共检测25992个细胞核,其中15250个完成空间定位

在7种已知MC38新抗原中,Rpl18 p.Q125R的检测效果最好:76%的已表达Rpl18转录本完成基因分型66%的肿瘤细胞被赋予该突变状态;所有检出TCR中,11%可归为Rpl18特异性TCR

抗PD-1组的平均T细胞浸润比例为5.6%,高于抗CTLA-4组的0.9%和未治疗组的0.6%。但该比较的P值为0.1,因此更适合表述为“存在升高趋势”,而不是已经获得统计学意义上的确定差异。这个细节提醒我们:视觉上明显的差距,并不必然等于证据已经充分。

更有信息量的是空间关系。在两只接受抗PD-1治疗的小鼠中,Rpl18特异性T细胞与表达Rpl18 p.Q125R的肿瘤细胞显著共定位;非Rpl18特异性T细胞则没有出现同样模式。距离突变肿瘤细胞越近,Rpl18特异性T细胞的增殖评分越高,相关检验P值为0.01;其他T细胞的对应P值为0.84

这说明,抗肿瘤免疫不能只用“有多少T细胞”来描述。T细胞是否靠近正确的靶细胞,以及靠近后处于什么功能状态,同样关键。

“耗竭”未必只是失败,也可能留下交战痕迹

Rpl18特异性T细胞表现出效应和耗竭相关转录特征。尤其当肿瘤细胞高表达Rpl18新抗原时,Rpl18特异性CD8⁺ T细胞中同时表达TIM3和LAG3的比例进一步升高,P值为0.031

T细胞耗竭(T cell exhaustion)常被理解为免疫系统失去战斗力。但在肿瘤组织中,耗竭标志也可能记录长期、持续的抗原刺激。一个T细胞若从未识别肿瘤抗原,未必会形成同样的转录状态。

因此,这项研究呈现出一组值得思考的连续关系:新抗原表达越充分,特异性T细胞越可能被持续刺激;刺激可以伴随增殖和效应反应,也可能推动耗竭与抑制通路形成。免疫激活和免疫制动,并不是互相排斥的两个阶段,它们可能在同一局部区域同时发生。

人肾癌样本中,抗原与TCR在同一区域相遇

在一个既往已有TCR功能验证数据的透明细胞肾细胞癌(clear cell renal cell carcinoma,ccRCC)样本中,研究人员分析了4张组织切片,共获得27518个细胞核,其中14914个完成空间定位

既往实验已确定该样本中有35种肿瘤特异性TCR,其中11种识别患者个体化新抗原NSUN5 p.Q18K。Slide-GoTags在肿瘤细胞中检出66个表达该突变的细胞核,并获得345条TCRα链和485条TCRβ链。

不同切片呈现出明显异质性。NSUN5特异性TCR在切片A中的丰度,是切片B和切片C的5.8~6.4倍。更关键的是,NSUN5特异性T细胞与NSUN5突变肿瘤细胞显著共定位,标准化混合评分(normalized mixing score,NMS)为2.26P<0.001;同样的T细胞并未与NSUN5野生型肿瘤细胞形成对应共定位。

在抗原与T细胞高度重叠的区域,高亲和力NSUN5特异性T细胞显著富集,优势比(odds ratio,OR)为5.40P=5.82×10⁻³,并表现出更高的细胞毒性评分。该区域的肿瘤细胞还富集干扰素-γ(interferon-γ,IFN-γ)反应、HLAⅠ类和Ⅱ类分子及抗原呈递相关信号。

研究人员把这种区域称为免疫原性生态位(immunogenicity niche):这里不只是T细胞多,而是同时出现了新抗原表达、特异性TCR聚集、IFN反应和抗原呈递增强

热肿瘤与冷肿瘤,差别可能藏在“局部街区”

研究进一步扩展到9个人类肿瘤,包括透明细胞肾癌、黑色素瘤、胶质母细胞瘤(glioblastoma,GB)和卵巢癌。研究人员共分析130866个细胞核,其中78651个完成空间定位

每个样本最初有中位数91个候选突变,经过HLA结合预测、转录本位置和表达量等条件筛选后,最终选择59个潜在新抗原突变进行靶向分型,每个样本中位数为6个。研究共识别出1856个表达至少一种预测新抗原转录本的恶性细胞,以及1053个检出TCRα链或TCRβ链的T细胞

黑色素瘤和透明细胞肾癌更倾向于形成免疫原性生态位,而胶质母细胞瘤和卵巢癌相对缺乏这类区域。生态位丰富区中,扩增的TCRβ克隆比例显著升高,P值为0.016;TCRα的对应P值为0.25,并未达到统计学显著。

跨癌种分析共发现10条与新抗原表达肿瘤细胞空间相关的TCRα或TCRβ链,其中2条获得功能实验验证,3条在免疫原性生态位中显著富集。研究人员还在小鼠肿瘤内注射IFN-γ,结果显示抗原特异性OT-I T细胞浸润增加,P值为0.03。这为“IFN丰富区域可能促进特异性T细胞募集”提供了实验支持。

由此看来,“热肿瘤”(hot tumor)与“冷肿瘤”(cold tumor)的差异,未必只是整块肿瘤中免疫细胞总量不同。一个肿瘤内部可以同时包含免疫活跃区和免疫沉默区;决定疗效的,可能是某些局部区域是否形成了抗原、T细胞、抗原呈递细胞和细胞因子相互支持的网络。

新抗原的“结合强度”,会改变周围住着谁

研究人员进一步利用NetMHCpan预测突变肽与HLAⅠ类分子的结合能力,在9个肿瘤中识别出32个预测强结合肽17个弱结合肽

强结合新抗原富集区域中,CD8⁺ T细胞比例更高,OR为1.63,校正后P值为3.7×10⁻⁴;弱结合区域则更富集具有抗炎和免疫抑制特征的M2样巨噬细胞,OR为0.59,校正后P值为1.1×10⁻⁵。靠近强结合新抗原肿瘤细胞的CD8⁺ T细胞,还表现出更高的耗竭或应激评分,P值为0.045

这组结果并不能证明HLA结合预测分数单独决定了局部免疫环境,但它提示:不同突变亚克隆并非只是基因组上的差异,它们可能通过抗原呈递能力,参与塑造周围细胞的组成和状态。

这张地图还不是临床导航仪

Slide-GoTags提供的是空间关联证据,而不是对TCR特异性的最终证明。两个细胞彼此靠近,可能意味着形成免疫突触(immunological synapse),也可能只是因为它们共同聚集在细胞密度较高的区域。一种肿瘤细胞还可能同时表达多个新抗原,附近也可能存在多个TCR克隆,因此空间关系仍需结合四聚体检测、TCR重构和体外功能实验验证。

技术本身也受到RNA表达量限制。低表达转录本、靠近转录本3′端的突变以及转录本丢失(transcript dropout)都可能降低基因分型效率。RNA中的突变等位基因比例还可能受到等位基因不平衡、表观遗传调控和转录后加工影响,不能简单等同于DNA层面的变异比例。单核测序会损失部分细胞质RNA,因此稀有TCR克隆也可能被漏检。

此外,跨癌种结论目前来自9个肿瘤样本,适合提出机制假设和技术可行性证据,尚不足以估计不同癌种中免疫原性生态位的稳定发生率,更不能直接预测患者疗效。

但这项研究推动了一个重要转变:评估抗肿瘤免疫时,不再只问“有哪些突变”和“有哪些T细胞”,而是进一步追问——表达某个新抗原的肿瘤细胞在哪里?可能识别它的T细胞在哪里?两者相遇之后,周围的免疫生态发生了什么变化?

当基因型、TCR、细胞状态和空间坐标被放进同一分析框架,肿瘤免疫学研究开始从成分统计走向关系解析。未来,它可能帮助研究人员优先筛选值得验证的肿瘤反应性TCR、定位免疫耐药形成的区域,并为个体化T细胞治疗和新抗原疫苗提供更具空间依据的候选靶点。

而最值得继续关注的问题或许是:决定免疫治疗成败的,究竟是肿瘤中拥有多少免疫细胞,还是这些细胞能否在正确的位置、识别正确的抗原,并在抑制信号占据优势之前形成有效协作?

 

 

参考文献

 
Nagler A, Sud A, Ghannam JY, Pomerance L, Robles-Oteiza C, Afeyan AB, Weir JA, Russell AJC, Lu WS, Van Orden M, Sonnenholzner A, Marrero GJ, Gong Q, Kumar V, Huang K, Tu C, Lin E, Shim B, De Oliveira GR, Sellars MC, Yoon CH, Reardon DA, Choueiri TK, Olsen LR, Signoretti S, Ott PA, Braun DA, Oliveira G, Li S, Livak KJ, Hacohen N, Chen F, Wu CJ. Single-nucleus multimodal spatial transcriptomics reveals spatial colocalization of neoantigen-expressing tumor cells and cognate T cells. Nat Biotechnol. 2026 Jul 22. doi: 10.1038/s41587-026-03194-1. Epub ahead of print. PMID: 42486969.