NAT COMMUN（IF 16.6）丨巨噬细胞：肺癌治疗中的“绊脚石”还是“救星”？

25名未接受治疗的LUAD (n=13)、LUSC (n=8)或未确定肺癌(LC, n=4)患者和2名健康的已故供体进行scRNA-seq，对其中的8例患者组织切片进行ST检测。

25名患者样本分离CD45+细胞进行scRNA-seq，共得到895,806个细胞，其中503,549个来自肿瘤，392,257个来自背景和健康组织(后续称为B/H)，鉴定为单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞(DC)及肥大细胞、自然杀伤细胞(NK)细胞、T细胞、B细胞和非免疫细胞转录特征的髓系细胞簇，即一个以髓系(LYZ, CD68,CD14,MRC1)和上皮基因(KRT19, EPCAM)共表达为特征的集群，该细胞群是在肿瘤内发现的，与先前描述的癌症相关巨噬细胞样细胞(CAMLs)相似。与背景相比，肿瘤中成纤维细胞和淋巴管内皮细胞(LECs)比例的减少，但上皮细胞群体表现出较高的多样性，存在肺泡II型(AT2)、下调上皮标记物的非典型上皮细胞(KRT19、EPCAM、CDH1)、上调髓系标记物的转化上皮细胞(LYZ)和肿瘤组织中的循环上皮细胞；肿瘤样本中单核细胞和未成熟髓系细胞的比例显著降低，较高比例的NK细胞具有较低的细胞毒性表型，而DC、B细胞、Treg总体扩增，抗炎Mɸ(AIMsɸ)的异质性和比例增加，循环抗炎Mɸ、STAB1+ Mɸ和CAMLs在肿瘤组织中大量出现。有趣的是，发现患者中STAB1+Mɸ/AIMɸ和T/NK细胞之间存在强烈的负相关性，突出Mɸ在抑制肺部肿瘤组织中细胞毒性细胞浸润方面的关键作用。

在LUAD和LUSC患者中观察到的免疫细胞和非免疫细胞的频率与癌症亚型、癌症分期或性别之间无明确关联。两者虽细胞组成相似，临床差异可能源于不同的细胞间互作（主要涉及非免疫细胞、AIMɸ和T细胞），首先，LUAD数据中有更多L-Rs，其次，几对免疫检查点抑制剂(ICI)及其各自的抑制分子在LUAD和LUAD中差异共表达，例如LGALS9-HAVCR2 (TIM3)， NECTIN2-CD226 (DNAM1)和NECTIN2/NECTIN3-TIGIT在LUAD中经常被发现，尽管VEGFA和VEGFB在LUAD和LUSC中均有表达，但它们的受体在LUAD中更常见，尤其是在成纤维细胞中等，最后，观察到支持淋巴细胞活化所需的关键共刺激信号，如CD40-CD40LG、CD2-CD58、CD28-CD86、CCL21- CCR7和TNFRSF13B/C-TNFSF13B (TACI/BAFFR-BAFF)通常与主要由B细胞、T细胞和DC组成的异位淋巴器官的存在有关，即三级淋巴结构(TLS)，通常与NSCLC较长的无复发生存期相关。

整合scRNA-seq和ST数据，基于cellphoneDB识别的L- Rs的空间共定位分析证实，与背景相比，肿瘤所有切片中细胞类型频率的差异与scRNA-seq数据中获得的结果一致。证实上述几种肿瘤特异性L–Rs在肿瘤中的共定位明显高于背景切片，包括NRP1-VEGFA和ICIs NECTIN2-TIGIT, LGALS9-HAVCR2, 和CD96-NECTIN1。

通过CopyKAT辨别单个细胞内的全基因组非整倍体，肿瘤组织中存在广泛的患者特异性CNAs，背景却没有。单个肿瘤样本中，AT2和循环AT2细胞中检测到CNAs，并且在一些患者中，这些遗传改变在AT2/循环AT2细胞和非典型上皮细胞之间共享，表明不同上皮亚群之间存在密切的谱系关系，与背景相比，来自肿瘤的AT2细胞的差异表达分析(DEA)显示了肿瘤中参与缺氧、TP53途径和代谢重新布线的基因的上调。肿瘤上调基因中的AT2细胞参与糖酵解和氧化磷酸化。有趣的是同一患者的CAMLs显示出与肿瘤AT2细胞和循环AT2细胞相似的CNAs，通过PAGA轨迹分析发现CAMLs共表达了许多STAB1 + Mɸ特异性基因，两者的连通性最强，支持了CAMLs可能来源于STAB1+ Mɸ 的假说。

为更好地了解不同Mɸ群体在TME中经历的转录变化，进行DEA分析，在肿瘤中，与背景组织相比，AMɸ和AIMɸ都上调了参与胆固醇和脂质转运和代谢的基因(如ABCA1、APOC1、APOE、FABP3和FABP5)。由于癌细胞增殖过程中对新合成的细胞膜有很高的需求，因此胆固醇在肿瘤生长中起着至关重要的作用。与背景相比，肿瘤中AT2细胞中的缺氧相关基因上调，可通过抑制胆固醇合成来促进肿瘤细胞中的胆固醇缺陷，从而迫使它们依赖外源性胆固醇摄取。本研究检测到胆固醇输出基因ABCA1在AMɸ和AIMɸ均高表达，而低密度脂蛋白受体(LDLR)没有表达（将携带胆固醇的脂蛋白颗粒摄取到细胞中），表明胆固醇优先从TAMs输出到TME。并通过切片染色得到验证。

在肿瘤切除物鉴定了STAB1+Mɸ，并鉴定20个“STAB1特征基因”，有趣的是，STAB1+Mɸ唯一表达SLC40A1，编码铁转运蛋白，与AMɸ相比，STAB1+Mɸ表达了较低水平的铁蛋白重链1 (FTH1)和铁蛋白轻链(FTL)编码铁储存蛋白。综上，巨噬细胞在TME内经历“重编程”，并采用一种转录特征，促进胆固醇外排和铁输出，从而支持肿瘤进展。

胚胎发育与肿瘤组织有许多共同特征，包括快速细胞分裂、细胞柔韧性和高度血管微环境，为进一步探索肿瘤STAB1+Mɸ和从人胎儿肺中分离的Mɸ之间的转录共性，应用层次聚类发现肿瘤cDC2与背景cDC2的相关性最强，而肿瘤mo-DC2与胎儿DC2的相关性最高，肿瘤中的巨噬细胞数量（特别是STAB1+Mɸ）与胎儿巨噬细胞相关，证实了肿瘤环境中的单核细胞分化为抗炎巨噬细胞时，获得类似于胎儿巨噬细胞的转录特征。同时，在周围正常组织的巨噬细胞中没有观察到这种独特的转录特征。综上，本研究表明肿瘤巨噬细胞，特别是STAB1+Mɸ，在胎儿肺部发育过程中表现出与Mɸ相似的转录特征，这表明它们在非小细胞肺癌肿瘤环境中经历了肿瘤胎儿重编程。