題目：泛癌分析揭示乳酸代謝在免疫治療反應(yīng)預(yù)測和生存預(yù)測新的見解

英文名：Pan-cancer analysis implicates novel insights of lactate metabolism into immunotherapy response prediction and survival prognostication

雜志：Journal of Experimental & Clinical Cancer Research?

影響因子：11.4

研究背景：免疫療法已經(jīng)成為一種有效的臨床癌癥治療方法， 然而，腫瘤細(xì)胞普遍具有"Warburg效應(yīng)"， 乳酸可以通過多種機(jī)制促進(jìn)腫瘤的發(fā)展和轉(zhuǎn)移，靶向腫瘤細(xì)胞中的乳酸代謝（LM）作為增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng)的方法是一種有前景的治療策略。作者利用scRNA-seq數(shù)據(jù)和多種機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法，在泛癌水平上揭示了LM和免疫治療耐藥性之間的緊密相關(guān)性，并進(jìn)一步建立了一種新的LM相關(guān)特征基因集（LM. SIG），為患者選擇合適的免疫治療提供了參考。

研究思路：

圖1

首先在兩個(gè)免疫療法scRNA-seq數(shù)據(jù)集中說明并驗(yàn)證了LM與免疫治療反應(yīng)之間是存在負(fù)相關(guān)的。隨后，基于40個(gè)泛癌scRNA-seq隊(duì)列建立了LM相關(guān)特征基因集（LM.SIG），然后，基于8個(gè)免疫治療轉(zhuǎn)錄組隊(duì)列和30個(gè)癌癥基因組圖譜（TCGA）泛癌數(shù)據(jù)集，采用15種機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法來驗(yàn)證LM.SIG在免疫治療反應(yīng)預(yù)測和生存預(yù)測方面的能力。此外，作者還基于17個(gè)CRISPR數(shù)據(jù)集，篩選了免疫治療潛在的靶點(diǎn)，通過下游實(shí)驗(yàn)在胰腺癌類器官中進(jìn)行了驗(yàn)證。    研究結(jié)果：    1、LM上調(diào)與免疫治療耐藥相關(guān)    對2個(gè)免疫治療的scRNA-seq數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，計(jì)算LM的相關(guān)基因的得分，結(jié)果表明，LM水平升高的惡性細(xì)胞在無應(yīng)答（NR）組內(nèi)表現(xiàn)出富集（圖2A），這個(gè)結(jié)果在另一個(gè)數(shù)據(jù)集得到驗(yàn)證（圖2C-D），這些結(jié)果共同表明LM與免疫治療耐藥有關(guān)。

圖2

2、使用泛癌scRNA-seq隊(duì)列建立LM. SIG

4、LM.SIG的免疫治療反應(yīng)預(yù)測

將8個(gè)臨床信息完整的免疫治療數(shù)據(jù)集，分類為訓(xùn)練集（n=618）、驗(yàn)證集（n=154）和測試集（n=79）（圖4A）。使用7種機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練模型，并迭代10次重復(fù)5倍交叉驗(yàn)證，計(jì)算AUC值，確定最佳的LM.SIG模型（圖4B-C）。隨后進(jìn)行了一系列測試，證明了LM.SIG在預(yù)測泛癌數(shù)據(jù)集中免疫治療反應(yīng)的能力。

圖4

5、LM.SIG 的生存預(yù)測

為了調(diào)整LM.SIG對泛癌生存率的預(yù)測，作者開發(fā)了一種基于SurvBenchmark設(shè)計(jì)的生存模型。評估了各種生存特異性模型，利用TCGA泛癌患者數(shù)據(jù)集訓(xùn)練LM.SIG預(yù)后模型，MTLR_GA并被確定為最佳模型（圖五A）。

圖5

6、使用CRISPR研究從LM. SIG產(chǎn)生的潛在治療靶點(diǎn)

從7項(xiàng)CRISPR研究中提取17個(gè)CRISPR數(shù)據(jù)集，CRISPR基因中z評分排名靠前的基因被視為免疫抵抗基因（圖6A），換言之，排名靠前的基因在敲除后可能會(huì)提高抗腫瘤免疫的能力，而排名靠后的基因可能會(huì)在敲除后抑制抗腫瘤免疫。比較了LM.SIG與已發(fā)表的免疫治療反應(yīng)特征基因集，表明LM.SIG的基因占比都高于已發(fā)表的免疫治療反應(yīng)特征基因集（圖6B-C）。為了進(jìn)一步研究具有免疫治療預(yù)測和生存預(yù)測的靶點(diǎn)，將19個(gè)CRISPR集中的基因和10個(gè)LM. SIG預(yù)后模型相關(guān)的基因取交集，得到靶點(diǎn)基因LDHA（圖6D）。LDHA基因的顯著性也在TCGA泛癌數(shù)據(jù)集和3個(gè)隊(duì)列數(shù)據(jù)集中得到驗(yàn)證（圖6E-G）。

圖6

7、LDHA缺乏增強(qiáng)胰腺癌的抗腫瘤免疫和免疫治療反應(yīng)

從患者外周血中分離CD8+T細(xì)胞和CD14+單核巨噬細(xì)胞，體外M-CSF激活并與sh-NC 或 sh-LDHA胰腺癌類器官共培養(yǎng)（圖7A）。顯微鏡觀察和細(xì)胞活力檢測顯示，LDHA的敲除顯著地減慢了類器官的生長速度（圖7B）。通過IHC染色，在sh-LDHA 類器官中也觀察到Ki-67的低表達(dá)（圖7C）。同時(shí)，分析共培養(yǎng)系統(tǒng)中的CD8+T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。RT-qPCR結(jié)果顯示，共培養(yǎng)時(shí)，T細(xì)胞殺傷基因和免疫檢查點(diǎn)基因（IFNG、GZMB、PDCD1和CTLA4）的表達(dá)顯著升高，而巨噬細(xì)胞M2相關(guān)標(biāo)志物（CD206、CD163、TGFB和ARG1）的表達(dá)降低，M1相關(guān)標(biāo)志物（IL1A、IL1B和CD80）的表達(dá)增加（圖7D）。這些結(jié)果表明sh-LDHA 的類器官中巨噬細(xì)胞從原瘤轉(zhuǎn)向抗腫瘤。此外，流式細(xì)胞術(shù)分析顯示sh-LDHA組的CD8+T細(xì)胞具有更強(qiáng)的抗腫瘤活性和增殖能力（圖7E-G），巨噬細(xì)胞更傾向于抗腫瘤M1極化（圖7H-K）。用KPC細(xì)胞（sh-NC和sh-LDHA）注射到小鼠的腹部外側(cè)產(chǎn)生皮下腫瘤，并在第9、12和15天腹腔注射抗IgG或抗PD1（圖7L）。與sh-NC組相比，sh-LDHA組抗PD1治療效果更顯著，腫瘤減少更明顯（圖7M，N）。IHC結(jié)果還表明，sh-LDHA的腫瘤具有豐富的免疫細(xì)胞浸潤和較慢的腫瘤增殖（圖7O）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LDHA影響免疫細(xì)胞的狀態(tài)，低表達(dá)的LDHA提高了它們在胰腺癌免疫治療中的療效。

圖7

這篇文章亮點(diǎn)很多，非常值得我們學(xué)習(xí)，在泛癌大數(shù)據(jù)中探討了乳酸代謝與免疫治療的關(guān)系，并用多種算法構(gòu)建了最佳預(yù)后模型，生信分析篩選出靶點(diǎn)基因LDHA，還做了下游驗(yàn)證，機(jī)制解析，當(dāng)之無愧發(fā)到了11.4分的頂刊文章！傲星生物深耕生信分析十余載，有豐富的實(shí)驗(yàn)方案、完善的下游驗(yàn)證、機(jī)制研究服務(wù)，一對一專屬服務(wù)為您排憂解難，助您輕松應(yīng)對畢業(yè)和晉升！