膠質(zhì)瘤來源的ANXA1通過促進抗炎腫瘤微環(huán)境抑制對TLR3配體的免疫應(yīng)答

       高度免疫抑制性腫瘤微環(huán)境（TME）和血腦屏障的存在是高級別膠質(zhì)瘤（HGG）患者誘導(dǎo)有效免疫應(yīng)答的兩大障礙。在本注冊臨床試驗（NCT03392545）中，作者試圖通過顱內(nèi)注射poly（I:C）增強復(fù)發(fā)性HGG患者的局部固有免疫應(yīng)答，以建立強大的抗腫瘤免疫應(yīng)答。在隨訪過程中，12例（44.4%）患者達到腫瘤控制和生存獲益，被認為是本研究的反應(yīng)者。作者發(fā)現(xiàn)poly（I:C）處理后，TME中的T細胞受體（TCR）譜發(fā)生了重塑?；谀[瘤樣本的RNA-seq分析，膜聯(lián)蛋白A1（ANXA1）在無反應(yīng)患者的腫瘤細胞中表達顯著上調(diào)，并在蛋白水平進一步驗證。體內(nèi)外實驗表明，ANXA1通過其表面受體甲酰肽受體1（FPR1）誘導(dǎo)M2樣巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生，建立Treg細胞驅(qū)動的免疫抑制性TME，并抑制poly（I:C）促進的抗腫瘤免疫應(yīng)答。ANXA1/FPR1信號軸可通過促進抗炎和Treg驅(qū)動的TME抑制膠質(zhì)瘤患者的固有免疫反應(yīng)。ANXA1可作為poly（I:C）治療反應(yīng)的可靠預(yù)測因子，預(yù)測準確率達92.3%。鑒于這些顯著的發(fā)現(xiàn)，本研究揭示了膠質(zhì)瘤免疫治療的新視角。本文于2023年12月發(fā)表于《Cellular & molecular immunology》，IF: 24.1；Q1。

技術(shù)路線：

主要實驗結(jié)果：

1、HGG患者的治療和預(yù)后

       本研究納入了一個包含27例患者的隊列。在術(shù)前和術(shù)后階段進行了全面的采樣程序，以獲取腫瘤樣本、腦脊液（CSF）和外周血（圖1A）。從北京天壇醫(yī)院獲取患者的基因及臨床資料。

       在27例患者中，1例（3.7%）達到完全緩解（CR），9例（33.3%）達到部分緩解（PR），2例（7.4%）達到疾病穩(wěn)定（SD），15例（55.6%）達到疾病進展（PD），因此疾病控制率為44.4%（圖1B）。將達到CR、PR或SD的患者定義為有反應(yīng)者，而出現(xiàn)PD的患者定義為無反應(yīng)者。有反應(yīng)者的中位無進展生存期和總生存期分別為221.0天和441.0天，顯著長于無反應(yīng)者（P < 0.05）（圖1C和D）。

圖1 免疫佐劑poly（I:C）治療為應(yīng)答者提供了生存獲益

2、應(yīng)答者的CSF和TILs中存在CTLs的優(yōu)勢寡克隆

       為了評估poly（I:C）治療后反應(yīng)組和無反應(yīng)組患者TME中細胞毒性T淋巴細胞（CTLs）增殖的潛在差異，作者分析了兩組患者在poly（I:C）治療前后CSF、外周血淋巴細胞（PBLs）和腫瘤浸潤淋巴細胞（TILs）的TCR譜模式。發(fā)現(xiàn)CSF中可能發(fā)生了一些優(yōu)勢克隆的擴增，最終導(dǎo)致CSF中細胞數(shù)量增加，而不影響TCR克隆型。

       進一步分析各組間CSF和PBLs中所有克隆型TCRs的比例。CSF內(nèi)TCR多樣性的變化顯示出有應(yīng)答組和無應(yīng)答組之間的顯著差異，而這一趨勢在PBLs分析中消失（圖2A）。在應(yīng)答者的CSF中，占總克隆空間5%以上的超擴增克隆型特異性富集（圖2B）。作者進一步分析了前10個TCR克隆在應(yīng)答者和無應(yīng)答者之間的比例，發(fā)現(xiàn)擴增最多的克隆型在應(yīng)答者CSF中占據(jù)了顯著更大的克隆空間百分比（圖2C）。正如預(yù)期的那樣，部分CTL克隆在CSF和TILs中強勁增殖發(fā)生于有應(yīng)答者，而非無應(yīng)答者（圖2D）。此外，在接受poly（I:C）治療后，高度豐富的克隆型僅在有應(yīng)答者的TILs中顯著富集，而在無應(yīng)答者的TILs中未顯著富集（圖2E），這表明局部腫瘤中的T細胞庫發(fā)生了重塑。

圖2 對poly（I:C）應(yīng)答組和無應(yīng)答組之間配對CSF和PBL樣本的TCR多樣性分析

3、無應(yīng)答者的TME以Treg細胞為主

       由于應(yīng)答者表現(xiàn)出優(yōu)勢的CTL增殖，作者使用scRNA-seq和配對TCR-seq擴展了TILs中CD45+免疫細胞的特征。作者最初通過無監(jiān)督聚類法在2個樣本中識別出10個不同的T細胞簇（圖3A）。CD8+和CD4+ T細胞表現(xiàn)為表達na?ve標志物（SELL和CCR7）、活化效應(yīng)標志物（GZMA、GZMH和GZMK）或耗竭標志物（PDCD1和HAVCR2）的亞群。此外，Treg細胞表達CD4和FOXP3（圖3B）。接下來的聚類分析表明，無應(yīng)答者的TCR克隆主要是CD4+ Treg細胞和耗竭的CD4+細胞，而有應(yīng)答者的TCR克隆主要是記憶性和效應(yīng)性T細胞（圖3C）。作者進一步將免疫細胞分為三個主要亞組（Treg細胞、非Treg CD4+細胞和CD8+細胞），發(fā)現(xiàn)Treg細胞在無應(yīng)答者的腫瘤中占優(yōu)勢，而CD8+細胞在有應(yīng)答者的腫瘤中富集（圖3D）。有趣的是，根據(jù)治療前后樣本中TCR比率的變化，結(jié)合從緩解后復(fù)發(fā)腫瘤中獲得的scRNA-seq數(shù)據(jù)，作者發(fā)現(xiàn)，在無反應(yīng)者的治療后腫瘤中比例增加的克隆最終退化為耗竭和Treg CD4+細胞（圖3E）。而緩解組患者治療后腫瘤中高比例和遞減比例的克隆主要為CTLs，且多為復(fù)發(fā)后的效應(yīng)性、記憶性和耗竭性CD8+細胞（圖3F）。這些結(jié)果表明，無應(yīng)答患者增加的Treg細胞產(chǎn)生了免疫抑制性TME。

圖3 scRNA-seq分析揭示無應(yīng)答者保留了以Treg細胞為主的腫瘤微環(huán)境

4、無應(yīng)答者可促進過度炎癥性TME

       為進一步研究產(chǎn)生這種不同治療應(yīng)答的原因，并確定對poly（I:C）產(chǎn)生應(yīng)答的預(yù)測因素，作者對應(yīng)答者和無應(yīng)答者的6個治療前樣本的轉(zhuǎn)錄組進行了測序。對差異表達基因的功能富集分析顯示，在無應(yīng)答者中，許多參與適應(yīng)性和固有免疫的免疫相關(guān)基因模塊上調(diào)（圖4A和B）。此外，無應(yīng)答者中大多數(shù)下調(diào)的模塊與神經(jīng)發(fā)育功能相關(guān)（圖4C和D）。

       為了更好地了解無應(yīng)答患者的特征，作者系統(tǒng)分析了癌癥基因組圖譜（TCGA）數(shù)據(jù)庫中作為對照的5例癌旁正常組織（GBM）樣本、2例有應(yīng)答的復(fù)發(fā)患者樣本的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和既往測序數(shù)據(jù)。綜合分析表明，治療前應(yīng)答組樣本的基因表達模式與癌旁組樣本相似，而復(fù)發(fā)應(yīng)答組樣本的特征介于應(yīng)答組和無應(yīng)答組之間（圖4E-G）。這一發(fā)現(xiàn)提示了患者從免疫應(yīng)答到無應(yīng)答的轉(zhuǎn)錄特征逐漸轉(zhuǎn)化。值得注意的是，與其他患者的樣本相比，在無應(yīng)答者的樣本中，免疫相關(guān)模塊顯著上調(diào)（圖4F）。這些發(fā)現(xiàn)提示無反應(yīng)患者的TME與過度激活和過度炎癥相關(guān)。

圖4 應(yīng)答者和無應(yīng)答者之間轉(zhuǎn)錄組譜的差異

5、ANXA1是TLR3配體應(yīng)答的潛在預(yù)測因子

       通過差異表達分析，作者確定了上調(diào)或下調(diào)的前20個差異表達基因（圖4H）。通過定量PCR驗證，作者發(fā)現(xiàn)有應(yīng)答者和無應(yīng)答者之間的ANXA1水平顯著不同（圖5A）。因此，作者后續(xù)的分析集中在ANXA1上。通過比較ANXA1在4組（癌旁組、無應(yīng)答組、有應(yīng)答組和有應(yīng)答的復(fù)發(fā)組）中的表達水平，作者發(fā)現(xiàn)ANXA1在無應(yīng)答組中表達最高，其次是在正常組和有應(yīng)答組中表達較低（圖5B）。免疫組化數(shù)據(jù)還表明，ANXA1在無應(yīng)答者的腫瘤中高表達，并且其表達在應(yīng)答組中非常低，但在復(fù)發(fā)組中升高（圖5C）。此外，作者根據(jù)TCGA和GTEx數(shù)據(jù)庫添加了數(shù)百個膠質(zhì)瘤腫瘤和對照正常組織之間的樣本中ANXA1的表達。分析結(jié)果顯示，ANXA1在膠質(zhì)瘤中的表達水平顯著高于正常組織。通過回顧性分析接受poly（I:C）治療的患者中ANXA1蛋白的表達，探討ANXA1作為TLR3配體治療應(yīng)答預(yù)測因子的有效性。作者的結(jié)果表明，有應(yīng)答者的ANXA1表達顯著低于無應(yīng)答者。受試者工作特征（ROC）曲線顯示，ANXA1預(yù)測TLR3配體應(yīng)答的敏感度、特異度和準確度分別為91.7%、92.9%和92.3%（圖5D）。

圖5 膠質(zhì)瘤源性ANXA1誘導(dǎo)M2樣巨噬細胞募集Treg細胞

6、ANXA1可誘導(dǎo)巨噬細胞M2型極化

       雖然ANXA1在細胞中廣泛表達，但根據(jù)單細胞數(shù)據(jù)，腫瘤細胞是應(yīng)答者和無應(yīng)答者之間不同表達模式的主要來源（圖5E）。FPR1作為ANXA1的主要受體，主要表達于無應(yīng)答的小膠質(zhì)細胞和巨噬細胞（圖5F）。這些結(jié)果提示腫瘤中巨噬細胞可能通過分泌一些趨化因子來招募Treg細胞。因此，作者通過單細胞RNA-seq測定了巨噬細胞中CCL22的表達，發(fā)現(xiàn)應(yīng)答樣本中的CCL22表達顯著高于無應(yīng)答樣本（圖5G）。既往研究表明M2型巨噬細胞募集更多的Treg細胞，因此作者評估了M2型相關(guān)基因在巨噬細胞中的表達。根據(jù)M1（IL6、IL1B、IL12B、CD86、CXCL9、CXCL10、IFNB1、IFNAR1和TNF）和M2（IL10、CCL22、ARG1、MRC1、CD163、MRC1、TGFB1、IRF4、TGM2、CXCL12和CXCR4）標記基因，作者對單細胞RNA-seq中的每個巨噬細胞進行了評分，并證實無應(yīng)答（P1）樣本中的巨噬細胞顯示出更強的M2表型（圖5H）。

       這一與腫瘤-巨噬細胞/小膠質(zhì)細胞-Treg關(guān)系相關(guān)的見解促使作者探索ANXA1在調(diào)節(jié)巨噬細胞極化中的作用。在U251細胞與巨噬細胞共培養(yǎng)體系中，通過檢測巨噬細胞表面標志物CD163和CD206的表達來評估其M2型表型。流式細胞術(shù)檢測結(jié)果顯示，與U251-ANXA1High膠質(zhì)瘤細胞共培養(yǎng)組的M2型巨噬細胞數(shù)量高于與U251-ANXA1Low膠質(zhì)瘤細胞共培養(yǎng)組。這些結(jié)果共同支持ANXA1在觸發(fā)巨噬細胞M2表型極化中發(fā)揮關(guān)鍵作用的結(jié)論（圖5I）。此外，與未處理的巨噬細胞相比，重組人類ANXA1處理的巨噬細胞釋放更高水平的CCL22，而poly（I:C）顯著抑制ANXA1的誘導(dǎo)并進一步降低巨噬細胞中CCL22的表達。加入FPR1抑制劑HCH6-1可抑制ANXA1誘導(dǎo)的CCL22水平升高（圖5J）。

       為了驗證ANXA1/FPR1軸在腫瘤細胞和巨噬細胞之間募集Treg細胞的功能，作者進行了Treg趨化實驗，結(jié)果表明ANXA1處理的M2巨噬細胞比未處理的M2巨噬細胞募集更多的Treg細胞（圖5K）。這些結(jié)果表明ANXA1可以顯著增強巨噬細胞募集Treg細胞的能力。

       此外，poly（I:C）刺激后，M0細胞中TLR3的mRNA表達顯著激活，加入FPR1抑制劑HCH6-1后，激活效率無明顯影響，但ANXA1與poly（I:C）共存導(dǎo)致TLR3下調(diào)（圖5L）。這一結(jié)果表明ANXA1通過下調(diào)其受體TLR3的表達來抑制對poly（I:C）的應(yīng)答。

圖6 膠質(zhì)瘤中ANXA1的低表達與原位腫瘤小鼠對TLR3配體的有效反應(yīng)相關(guān)

7、降低ANXA1的表達可提高對TLR3配體的應(yīng)答

       作者使用GL261細胞建立原位腫瘤小鼠模型，研究ANXA1對TLR3配體的直接影響。對小鼠進行Poly（I:C）免疫治療。作者對腫瘤進行了RNAseq分析，發(fā)現(xiàn)poly（I:C）應(yīng)答小鼠的ANXA1表達水平相對較低，這與正常小鼠腦組織中的ANXA1表達水平相似（圖6A）。為了確定該模型小鼠原位腫瘤中的腫瘤浸潤T細胞類型，作者分析了來自小鼠樣本的細胞，發(fā)現(xiàn)與無應(yīng)答小鼠的腫瘤相比，CD8細胞在有應(yīng)答小鼠的腫瘤中顯著富集。相反，無應(yīng)答小鼠的Treg細胞水平高于有應(yīng)答小鼠（圖6B和C）。為了進一步驗證ANXA1和TLR3配體之間的關(guān)聯(lián)，作者使用GL261-ANXA1WT-luc和GL261-ANXA1KD-luc細胞在小鼠中產(chǎn)生原位腫瘤，并給予poly（I:C）（圖6D）。GL261-ANXA1WT-luc細胞較GL261-ANXA1KD-luc細胞誘導(dǎo)更多的實質(zhì)性腫瘤進展。此外，腫瘤中ANXA1的低表達導(dǎo)致了對poly（I:C）的有效應(yīng)答，顯示了強大的腫瘤控制能力（圖6E和F）。此外，作者在所有實驗小鼠中進行了生存分析，結(jié)果顯示，接受poly（I:C）的ANXA1KD小鼠的生存時間顯著長于未注射poly（I:C）的ANXA1WT小鼠（P < 0.01）（圖6G）。雖然這些小鼠在第20天被殺死，但四組小鼠的生存趨勢仍然可以為干預(yù)的效果提供有價值的見解。作者分析了小鼠原位腫瘤的TILs，發(fā)現(xiàn)在poly（I:C）處理后，GL261-ANXA1KD-luc小鼠比GL261-ANXA1WT-luc小鼠激活了更多的CD8細胞。相反，在GL261-ANXA1WT-luc小鼠的腫瘤中，Treg細胞和M2巨噬細胞的水平高于GL261-ANXA1KD-luc小鼠的腫瘤（圖6H）。流式細胞術(shù)數(shù)據(jù)與多色IF染色結(jié)果一致（圖6I）。因此，作者的數(shù)據(jù)表明，ANXA1水平較低的腫瘤對TLR3配體有更有效的應(yīng)答。

結(jié)論：

       在本研究中，作者證明了膠質(zhì)瘤來源的ANXA1對體內(nèi)TLR3配體應(yīng)答有重要影響，通過ANXA1/FPR1軸使巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞向M2樣表型傾斜，促進免疫抑制性TME的發(fā)展。作者的發(fā)現(xiàn)為ANXA1在膠質(zhì)瘤生物學(xué)中的功能提供了更多的機制見解。首先，作者發(fā)現(xiàn)，如在對poly（I:C）有應(yīng)答的患者中觀察到的那樣，無應(yīng)答者在CSF或TILs中均不具有優(yōu)勢寡克隆的特征。其次，作者發(fā)現(xiàn)在無反應(yīng)的TME中，高炎癥和免疫抑制的TME伴隨著ANXA1的高表達被促進。第三，作者發(fā)現(xiàn)ANXA1高表達可以觸發(fā)巨噬細胞向M2表型極化，增強Treg細胞浸潤，降低患者和膠質(zhì)瘤模型小鼠的生存率。作者的結(jié)果揭示了膠質(zhì)瘤細胞通過ANXA1/FPR1軸調(diào)節(jié)腦腫瘤環(huán)境的機制，并有助于TLR3配體的治療抵抗。

       綜上所述，作者提出了以下模型（圖7）:在無應(yīng)答膠質(zhì)瘤中，ANXA1的高表達與巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞中FPR1的高表達相關(guān)，后者可以通過趨化釋放抗炎細胞因子來招募Treg細胞;因此，以Treg細胞為主的免疫細胞群建立了免疫抑制性TME。與此模型一致，TME抑制了poly（I:C）的免疫激活，臨床表現(xiàn)為對poly（I:C）的抵抗。ANXA1被認為是一個可靠的預(yù)測對TLR3配體反應(yīng)的指標，因為它在腫瘤組織樣本中有應(yīng)答和無應(yīng)答之間的差異表達。從臨床角度來看，評估TLR3配體（如poly（I:C））的治療效用可能是有趣的，同時重點關(guān)注通過穿刺活檢確定的膠質(zhì)瘤腫瘤組織中ANXA1表達水平與癌旁組織相似或略低的患者人群。這種方法有助于制定個性化的免疫治療方案。對于無應(yīng)答者，FPR1阻滯劑可能克服poly（I:C）耐藥，但仍需要臨床試驗的支持。探索和了解ANXA1在膠質(zhì)瘤生物學(xué)中的分子機制，可拓寬TLR3配體應(yīng)答者的靶人群，改善膠質(zhì)瘤患者的預(yù)后。

圖7 在膠質(zhì)瘤的TME中，ANXA1/FPR1軸和TLR3配體觸發(fā)了抗腫瘤免疫應(yīng)答

實驗方法：

       制備單細胞懸浮液；CD8+CTLs TCR庫的建立與分析；單細胞RNA測序（scRNA-seq）和scRNA-seq數(shù)據(jù)處理；TCR測序（TCR-seq）數(shù)據(jù)處理；細胞間相互作用；RNA-seq數(shù)據(jù)分析及富集分析；組織切片和免疫組化（IHC）；免疫熒光（IF）；細胞系和培養(yǎng)條件；流式細胞術(shù)；趨化性實驗；小鼠模型。

參考文獻：

       Zheng Y, Jiang H, Yang N, Shen S, Huang D, Jia L, Ling J, Xu L, Li M, Yu K, Ren X, Cui Y, Lan X, Lin S, Lin X. Glioma-derived ANXA1 suppresses the immune response to TLR3 ligands by promoting an anti-inflammatory tumor microenvironment. Cell Mol Immunol. 2023 Dec 4. doi: 10.1038/s41423-023-01110-0. Epub ahead of print. PMID: 38049523.