肿瘤免疫治疗方兴未艾，基于T淋巴细胞免疫检查点的发现和临床应用的成功推广，得到今年诺贝尔生理或医学奖的青睐。虽然该项治疗在多种实体瘤，如黑色素瘤，非小细胞肺癌和肾癌的部分患者中取得不错的疗效，但仍有一些肿瘤，特别是被认为缺少浸润免疫细胞的肿瘤患者（Cold tumor）的疗效并不尽如人意。近年研究报道基因组微卫星不稳定（MSI）的结直肠癌患者对免疫检验点抑制剂PD-1抗体敏感，而我们对肿瘤浸润T淋巴细胞在结直肠癌中的分类和特征仍然缺乏了解，特别是对于微卫星不稳定（MSI）与微卫星稳定（MSS）患者间的T细胞类群及分子差异有待精细刻画。

2018年10月29日，北京大学张泽民课题组联合美国安进公司（Amgen）欧阳文军团队和北京大学人民医院申占龙课题组在国际顶级学术期刊《自然》上在线发表了结直肠癌T细胞动态变化的重要研究成果。该研究对来自12例结直肠癌初治患者外周血、癌组织及癌旁组织的大量T细胞进行了单细胞全长转录组测序和分析。为了系统性的刻画结直肠癌相关T细胞的组织分布特性、克隆性、迁移性和状态转化，研究团队创造性开发了STARTRAC（Single T-cell Analysis by Rna-seq and Tcr TRACking）这一生物信息追踪方法，并揭示了结直肠癌中20类具有不同功能特性的T细胞亚类的动态变化关系。

图：STARTRAC方法定量分析来自外周血、癌及癌旁组织的T细胞的组织分布特征、克隆增生、迁移及状态转换关系

张教授表示，既往的肿瘤浸润T细胞研究更多关注T细胞的分类和亚型的鉴定，如何刻画人体内T细胞的关系有待突破。而利用T细胞受体（TCR）作为标签，可以追踪同一克隆型（clonotype）T细胞在不同组织或不同状态里的分布，定量刻画、比较不同细胞群的特性，从而帮助我们深入理解引发T细胞不同迁移和状态变化的机理，如探讨Hot肿瘤和Cold肿瘤中促进或阻碍T细胞迁移能力的诱因，发掘T细胞耗竭（exhaustion）状态的发生机制。

CD8+耗竭T细胞是近年来肿瘤免疫基础及应用研究的热点。这些细胞最早在慢性感染小鼠模型中发现，其高表达大量的抑制性受体，如PD-1、CTLA-4和Tim-3等，并且随着耗竭程度的增加，效应分子表达减弱。然而对于耗竭T细胞在肿瘤内是否具有相似的特性，学界一直颇有争议。此项研究发现，结直肠癌肿瘤浸润“CD8+耗竭T细胞”在肿瘤内表现为高度的克隆增生和活跃的增殖状态以及低迁移能力，除了表达相似的抑制性受体，同时高表达大量的细胞毒性效应基因，如GZMB和IFNG，提示这些细胞可能仍然具有杀伤肿瘤的能力，拓展了过往对肿瘤耗竭T细胞的认知。

更重要的是，研究团队充分利用TCR克隆信息，通过STARTRAC分析发现结直肠癌CD8+耗竭T细胞和肿瘤内记忆T细胞有显著的状态转移关系，后者又与一群以CX3CR1为标记的CD8+毒性效应T细胞有相似的状态转移关系。令研究人员意外的是，虽然这些记忆T细胞驻留在同样的肿瘤微环境中，然而与血液里的毒性效应T细胞共享TCR的亚群，和与耗竭细胞共享TCR的亚群，两者是显著互斥的。这意味着可能除了肿瘤微环境的因素，TCR也影响细胞分化为毒性效应T细胞或者耗竭T细胞。

结直肠癌患者中，MSI病人对免疫检查点抑制剂的治疗响应显著优于MSS病人。此项工作中，研究人员首次从单细胞组学角度对其T细胞差异做出了高精度的比较分析。发现相比MSI病人，TH17细胞富集于MSS病人的肿瘤组织中；而高表达CXCL13的TH1-like细胞（高表达IFNG）在MSI病人中显著富集。进一步的研究发现，这类细胞同时高表达转录因子BHLHE40，它不仅可以促进产生效应性的IFN-ɣ分子，还可以抑制产生抑制性的IL-10分子，提示CXCL13+TH1-like细胞可能影响到免疫检查点抑制剂的治疗效果。

图：MSI病人显著富集高表达BHLHE40和IGFLR1的CXCL3+TH1-like细胞

文章共同第一作者、北京大学博士后张雷介绍，在大样本的TCGA数据里，同样发现MSI的结直肠癌表达更高的CXCL13+BHLHE40+ TH1-like细胞的特征基因。其中IGFLR1是在此类细胞上高表达的一类受体蛋白。研究团队通过对IGFLR1及其配体IGFL3的体外实验证明，IGFLR1作为新发现的协同刺激因子，IGFLR1/IGFL3通路可能成为潜在的药物治疗靶点。诺奖得主James P. Allison近期基于小鼠模型研究表明，TH1-like细胞与黑色素瘤的免疫治疗响应相关，提示CXCL13+BHLHE40+ TH1-like细胞及其特征基因具有临床应用前景。研究人员同时表示，对于此类细胞能否作为免疫治疗响应的标志物，预判患者的响应，从基础到落地临床还有很多工作要做。

图：参与该项目部分研究人员合影。左四，文章第一作者张雷；左五，张泽民教授

结合研究组此前分别开展的针对肝细胞癌和非小细胞肺癌T细胞转录组图谱绘制工作，研究团队对三个癌种的数据进行整合比较分析，得到不同肿瘤中特异富集的细胞类群，如结直肠癌中的CD160高表达的上皮内淋巴细胞（Intraepithelial lymphocytes）以及TH17细胞，提示了器官区域免疫特征对不同器官肿瘤组织免疫特征的影响，并对解释同一免疫治疗在不同癌种上表现的差异给出了线索。此外，研究团队开发了数据可视化平台，便于科学家和临床医生根据自己的实际科学和临床问题需要，进行个性化的探索。