产学研实践活动 | 浙大博士科研前沿分享-多组学分析在肺腺癌中的应用

本期分享由艾沐蒽-浙江大学钱塘智慧城社会实践基地的浙江大学医学院2023级叶家悦博士供稿

 

肺癌（非小细胞肺癌，NSCLC，简称肺癌）是发病率和病死率最高的恶性肿瘤，近年来随着肺癌疾病谱的变化，肺腺癌的比例已超50%，成为我国最常见的恶性肿瘤之一。手术治疗是肺腺癌的主要治疗手段，手术后肿瘤复发是肺腺癌预后不佳的主要原因。靶向治疗、化疗、放疗和免疫治疗等是目前预防肺腺癌术后复发的主要手段。大部分肺腺癌患者在手术治疗后会出现复发或者远处转移，当出现术后复发或转移征象时再进行辅助治疗，这时患者往往错过了最佳的治疗时机，造成“治疗不足”；然而对所有的手术后患者进行积极的、长时间、多疗程的辅助治疗固然可以降低手术后复发和转移率，但对于一些低复发风险患者不可避免地会造成“过度治疗”。临床缺乏理想的早期评估肺腺癌术后复发风险的方法，是导致肺腺癌手术后“治疗不足”与“过度治疗”二种现象并存的主要原因。肺腺癌术后复发是影响治疗效果和患者生存率的主要因素之一。

 

近年来，多组学技术因其在揭示复杂疾病机制方面的独特优势而被广泛应用于肺腺癌术后复发的研究中。本综述旨在综合分析基因组学、蛋白组学、代谢组学和免疫组学等多组学方法在探索肺腺癌术后复发机制中的应用与进展。

 

1.免疫组学在肺腺癌术后复发研究中的应用

免疫组（immunome）是宿主免疫系统与抗原的互作关系以及宿主免疫系统应答机制的全景图谱，免疫组包括免疫系统的识别对象，如非己抗原、自身抗原、病原体相关分子模式（pathogen-asso ciated molecular pattern，PAMP）和损伤相关分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）等，免疫系统的识别受体，如BCR、TCR和模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）等，以及参与免疫应答过程的其他分子，如MHC编码的分子等。免疫组学作为一门新兴的研究领域，是一种结合免疫学和生物信息学的研究方法，包括抗体表位组学、免疫基因组学、免疫蛋白质组学、免疫细胞组学、抗体组学和免疫信息学等重要内容，可以全面分析免疫系统在疾病发生发展过程中所起的作用。

 

随着高通量测序技术、生物信息学等相关领域进展以及人类对免疫系统功能认识的逐步深入,免疫组学从最初解析B细胞受体 (BCR)、T细胞受体 (TCR)基因序列逐渐发展为解析和绘制宿主免疫系统和抗原的互作关系以及宿主免疫系统应答机制的全景图谱。目标是通过检测肿瘤微环境中的免疫细胞及其分泌的细胞因子等分子，来揭示免疫系统在肺腺癌术后复发中的作用。免疫检查点抑制剂（ICI）的出现为这一领域带来了革命性变化。

 

在肺腺癌的术后复发机制研究领域，免疫组学分析作为一种新兴的研究手段逐渐引起了研究者的关注。研究表明，免疫细胞的功能状态和免疫因子的表达水平可以反映肺腺癌患者术后复发的风险和机制。先前的研究已经发现，肺腺癌的术后复发与免疫系统的失衡密切相关。Rizvi等人指出，肺腺癌患者中存在免疫逃逸现象，即肿瘤细胞能够逃避免疫系统的检测和攻击，从而导致术后复发的风险增加。另外，Luo等人的研究结果也表明，术后免疫细胞的功能状态与肺腺癌患者的存活率密切相关，暗示免疫组学分析可以提供肺腺癌术后复发的预测指标。研究发现，肿瘤突变负荷（TMB）高、特定免疫细胞亚群（如CD8+ T细胞）的丰度与更好的治疗响应和生存期相关。此外，T细胞受体（TCR）测序技术被用于识别患者特异性适应性免疫反应，从而指导个性化免疫治疗。

 

免疫组学分析为探索肺腺癌术后复发的机制提供了新的研究思路和方法。通过分析免疫细胞的功能状态和免疫因子的表达水平，可能揭示肺腺癌术后复发的潜在机制，为临床预测和治疗提供新的思路和方法。多组学整合是免疫组学未来发展的必经之路。免疫组学与其他组学领域，如暴露组学（exposome）、表观遗传组学（epigenome）、蛋白组学（Proteomics）和代谢组学（metabonomics）等的整合分析将有助于全面理解免疫系统对环境因素的响应和调节机制，进一步探索疾病发生和发展的分子机制。另一方面，免疫组学和AI结合也可在疾病诊断和治疗方面发挥重要作用。通过整合临床数据、基因组数据、免疫组学数据和其他相关数据，AI可帮助建立更准确的疾病模型和风险评估模型，有助于早期发现和预测免疫相关疾病风险，为个体化治疗方案提供指导。

 

 

2.质谱分析技术在多组学研究中的核心作用

质谱分析(Mass spectrometry，MS)技术是现代众多分析测试技术中同时具备了灵敏度高、特异性好、响应速度快的普适性方法，质谱技术是组学研究的核心工具，基于质谱检测的代谢组学和蛋白组学技术在肿瘤代谢改变方面研究得到广泛应用。无论是代谢组学、脂质组学还是蛋白组学和基因组学，单一组学方法虽然同时可以获得丰富多种通路的生物学信息，都无法全面反应特定代谢水平变化。

 

多组学结合可以得到某一代谢过程中基因、蛋白、代谢和脂质等更全面的信息，可以更系统地反应出整个代谢通路的信息变化。Dougan J等用多组学（蛋白质组学和代谢组学）联合分析发现前列腺癌中过氧化物 Peroxidasin（PXDN）的表达降低导致氧化应激、线粒体功能障碍和糖异生途径的增加，抑制氧化应激导致的凋亡减少促进前列腺癌的进展。Zhang Q等运用基于质谱的蛋白组学、代谢组学结合基因组学研究肝细胞癌的发病机制并提出了一种新的肝细胞癌的免疫表型分类。这些研究结果利用了多组学联合检测在系统反应代谢通路的信息变化的优势，这是单组学或其他检测手段所难以达到的。

 

3.基因组学在肺腺癌术后复发机制研究中的应用

基因突变、拷贝数变异（CNVs）、基因表达谱的变化等被认为是导致癌症复发的关键因素。基因组学可通过比较肿瘤和正常组织的基因组差异，揭示肺腺癌术后复发的分子基础。例如EGFR、ALK、C-MET等基因的突变已被报道与肺癌的复发密切相关。基因组学联合病理组学、影像组学及转录组学等研究也不断突破肺腺癌术后复发治疗的潜在机制。Raul caso等人的研究基于基因组学深入评估了肺腺癌主要组织病理亚型的肿瘤基因组学特征，并揭示了它们与患者术后复发的关系，以及它们与接受手术切除的肺腺癌患者靶向驱动基因改变的关系。近年来，全外显子组测序和全基因组测序的使用，使研究人员能够更全面地了解驱动肺腺癌术后复发的遗传变异。

 

4.蛋白组学和代谢组学在肺腺癌复发研究中的作用

蛋白组学技术通过检测和分析肿瘤组织中蛋白质的表达和活性变化，有助于揭示表观遗传学、信号转导等方面对肺腺癌术后复发的影响。蛋白质的异常表达，如与细胞周期调控、凋亡抑制、血管生成等相关的蛋白质变化，是术后复发的潜在标志物。例如，VEGF、bcl-2等蛋白质的上调与肿瘤复发和不良预后密切相关。

 

代谢组学是研究一个细胞或组织中的糖类、氨基酸等小分子代谢物变化规律的学科，蛋白组学的主要研究对象则是蛋白质，两种组学结合的多组学分析更能够在整体水平研究蛋白质和小分子代谢物的表达和调控。代谢组学分析能够揭示肿瘤细胞代谢重编程与术后复发的关系。肺腺癌细胞在代谢上显示出明显的差异，包括戊糖磷酸途径、三羧酸循环、氨基酸代谢等的改变，这些代谢改变对肿瘤的生长、侵袭和转移具有重要影响。代谢组学研究为寻找针对特定代谢途径的治疗靶点提供了依据。

 

小 结

免疫组学发展为全面、深入解析免疫系统识别受体与抗原的互作关系、免疫细胞和分子在疾病发生发展的作用机制等提供了可能。多组学与AI的深度融合将进一步推动免疫组学发展，加速新型疫苗研发和疾病精准治疗，为全人类健康事业贡献力量。免疫系统成员广泛分布于机体内各器官组织，维持生理稳态或参与组织损伤。因其成员和功能的复杂性，单一的技术手段难以全面、深入地探究免疫系统在疾病中发挥的作用及机制。

 

多组学联合分析为探究肺腺癌术后复发的分子机制提供了全面而深入的视角。基因组学、蛋白组学、代谢组学和免疫组学等多组学技术的联合应用，不仅能够揭示了复发的驱动因素，也为开发预防和治疗策略提供了新思路。

 

 

 

高分文献分享

 

题目：多组学分析揭示具有磨玻璃阴影的肺癌的独特免疫基因组学特征

发表期刊：American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine

影响因子：19.3

 

 

图1

 

 

文章收集了共101例疑似肺癌的孤立肺结节并进行了手术切除的样本，对切除下来的样本进行了多组学的分析。

 

根据病理结果，101例中包括82例肺腺癌（LUAD）、4例鳞状细胞癌（SCC）、1例小细胞肺癌（SCLC）以及14例非恶性组织。82例肺腺癌中，11例为低级别，71例为中高级别。另外在101例病人中，31个病人术前CT影像显示含有磨玻璃影（GGO），即非实性结节或部分实性结节（NSN/PSN）。其中包括1例原发肺泡上皮细胞增生、11例低级别肺腺癌、19例中高级别肺腺癌。4例SCC和1例SCLC均表现为纯实性结节（SNs）。与中高级别肺腺癌相比，低级别肺腺癌在含有磨玻璃影的肿瘤中显著富集。100%的低级别肺腺癌表现为磨玻璃影，而只有26.7%的中高级别肺腺癌表现为磨玻璃影。

 

图2

 

 

1.GGO与较低的肿瘤突变负荷相关

图3

 

别对切除的肺结节和配对的外周血单核细胞（PBMCs）的DNA（作为种系DNA对照）进行了1021个癌症相关的HLA基因的测序。

 

发现在非恶性样本中没有观察到任何突变，而在每个肿瘤样本中至少观察到了一个非沉默突变或者结构改变。图3A中，低级别的腺癌样本突变率明显低于中高级别腺癌。图3B显示中高级别的肺腺癌的TMB显著高于低级别的肺腺癌。图3C显示肺腺癌中含有纯实性结节的样本的TMB显著高于含有磨玻璃影的样本。

 

图4.肺腺癌中具有不同比例GGO组分的常见癌基因突变的发生率

 

研究发现，GGO与任何癌症基因的突变都没有显著关联。然而，图D显示：KRAS突变率似乎随着GGO组分的减少而逐渐增加；PIK3CA突变也仅在实性结节中检测到。

 

 GGO与独特的T细胞库指标有关

图5

 

T细胞库（T-Cell Repertoire）是指一个人体内所有T细胞受体（TCR）的集合。TCR库能够反映T细胞应答的广度和深度，在不同癌种的抗肿瘤免疫反应中发挥重要作用。

 

文章对87例肿瘤患者的84个肿瘤和81个PBMC标本，以及14例有足够剩余DNA的非恶性结节患者的14个组织标本和12个PBMC标本进行了TCR测序。结果显示：TCR克隆性、前10的T细胞克隆所占比例、T细胞克隆性在非恶性结节和肺腺癌之间无统计学差异，但是当将磨玻璃影纳入考量后发现：非纯实性中TCR克隆性和前10种TCR克隆所占比例明显低于纯实性，这与非纯实性组织T细胞扩增降低是一致的（图5A）。TCR的各参数在外周血单核细胞组无显著差异（图5B）。

 

另外文章发现，与纯实性结节相比，含有磨玻璃影成分的肺癌组织和外周血中T细胞受体重叠度更高，说明含有磨玻璃影成分的肺癌具有更弱的T细胞扩增能力。

 

 

小 结

文章总结了伴或不伴GGO的肺腺癌样本的基因和免疫特征，并提出GGO组分增加后基因组和免疫特征的平行趋势与癌症免疫编辑的概念一致，包括三个阶段：消除、平衡和逃逸。

 

1.消除阶段:肿瘤细胞被先天和获得性免疫反应积极清除。

 

2.平衡阶段:此时肿瘤细胞的抗原性减弱，肿瘤不容易被免疫系统识别和清除。但是肿瘤细胞仍然受到免疫系统的压力，不能过度生长。在平衡阶段，癌细胞可能获得少量体细胞突变，在持续但不太活跃的免疫压力下继续演化；这种平衡可能持续数年，反映了GGO相关肺腺癌的惰性临床过程。

 

3.逃逸阶段：癌细胞继续积累分子改变，直到获得某些分子改变使癌细胞能够逃避免疫反应，此时平衡被打破，促进侵袭性癌症发展。GGO相关肺腺癌较低的免疫环境和较低的HLA LOH发生率较低符合癌细胞和抗肿瘤免疫反应可能处于免疫编辑平衡阶段的观点。

 

 

 

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