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腫瘤微環境（TME）對患者的臨床治療和免疫應答有重要影響。2021年6月，Nathan Fowler等人在Cancer Cell上發表了題為“Conserved pan-cancer microenvironment subtypes predict response to immunotherapy”的研究論文，鑒定了4種在不同腫瘤中保守的TME亞型，有助于患者的精準分型和個性化治療。后續附上文獻詳解以饋讀者。
臨床上，基因組水平的變異特征（基因突變、缺失、結構變異等）有助于腫瘤治療方案的選擇。然而，其應用僅局限于與腫瘤進展密切相關的少數基因，而忽略了絕大部分基因的潛在作用。基因轉錄水平的特征提供了解析腫瘤高度復雜性和異質性的新視角，也為開發新的腫瘤標志物和治療方案提供了參考。TME指腫瘤細胞產生和生活的內環境，不僅包括了腫瘤細胞本身，還有其周圍的免疫和炎癥細胞、腫瘤相關的成纖維細胞（CAF）、臨近間質組織、微血管以及各種細胞因子和趨化因子。腫瘤細胞和其微環境密不可分，大量研究已經證實TME與免疫治療之間的關聯，對TME的精準分型可以更好地指導臨床治療。然而目前，通過整合分析基因組變異和轉錄特征來解析TME的研究依然匱乏，且缺少系統高效的工具供研究人員使用。為此，作者建立了基于轉錄特征的TME分型平臺，并結合不同TME亞型的基因組變異特征，搭建了便于訪問的可視化數據庫。
建立TME基因表達特征標簽
基于已有報道，作者搜集了可以代表腫瘤細胞功能特征、免疫、基質和其他組分的特征標簽（knowledge-based functional gene expression signatures，Fges），建立一個由29個Fges來全面表征TME的模型，每個Fges中包含的基因只與特定的細胞類型或生物學功能相關（圖1）。通過ssGSEA計算各個Fges的相對活性，發現Fges具有高度的細胞類型特異性。比如，在腫瘤細胞中，用于表征增殖的Fges活性顯著高于正常細胞。在TCGA黑色素瘤數據集中分析發現，29個Fges主要分成兩類：一類是以T細胞為主的免疫相關標簽；另一類是與TME相關的標簽，如CAF等。基于29個Fges對腫瘤的分類結果與CIBERSORT、MCP-counter等一致，證實了分類的可靠性。
4類黑色素瘤TME亞型
基于29個Fges標簽的相對活性，利用無監督聚類法可將TCGA中的470個黑色素瘤樣本分成4類TME亞型，不同亞型之間的Fges活性有顯著差別，最終呈現出以免疫激活/抑制和腫瘤細胞基質為主的TME特征（圖2）。4類TME亞型主要特征如下：
immune-enriched， fibrotic （IE/F）：類似immune-excluded；血管生成和CAF相關的Fges的激活；
immune-enriched， non-fibrotic （IE）：高度免疫激活狀態；腫瘤突變負荷（TMB）高；CD8+ T/Tregs比值和M1/M2巨噬細胞比值均為最高；JAK/STAT信號通路活性增強；預后顯著優于F和D亞型；PD-L1表達水平上調；immune-inflamed；
fibrotic（F）：少量白細胞和淋巴細胞；血管生成和CAF相關的Fges的激活；TGF-beta、EMT及腫瘤轉移信號通路活性增強；與不良預后相關；
immune-depleted（D）：少量白細胞和淋巴細胞；惡性細胞比例最高；染色體不穩定性最高；與不良預后相關；immune-desert。
為了驗證分型可靠性，作者在其他23個黑色素瘤數據集中得到了類似的分類結果，F和D亞型的病人預后顯著差于其他亞型。
TME亞型在不同癌種間保守
將上述分析擴展到TCGA數據庫中的8024個樣本（包含25類腫瘤），在去除組織特異性之后，同樣可以將所有樣本分為4類TME亞型（圖3）。生存分析表明，對于多數癌癥，IE和IE/F亞型的患者預后要優于D和F亞型，且IE亞型與良好預后的關系更為顯著。當然，該現象具有一定的癌癥特異性。比如，D亞型的宮頸鱗癌（CESC）患者，其預后與IE亞型并沒有顯著差別。結合腫瘤特異的臨床指標，多因素分析表明TME亞型在多數癌種中可以作為獨立的預后指標。
TME亞型可以預測腫瘤的免疫應答
已有研究表明，免疫治療尤其是免疫檢查點阻斷的效果與T細胞浸潤、TMB以及腫瘤自身的抗原之間有密切聯系。為了探尋TME亞型對免疫治療是否有指導意義，作者在多個免疫治療數據集中（anti-CTLA-4，melanoma；anti-PD1，melanoma；anti-PD-L1，bladder cancer；anti-PD1，gastric cancer）比較了不同亞型病人的臨床預后情況（圖4）。結果發現，IE亞型的病人對免疫治療的應答率顯著高于F亞型，同時也有更長的總體存活時間/無進展生存期，表明TME亞型可以作為多種臨床免疫治療中病人應答效果的潛在靶標。
TMB與免疫應答和病人預后存在關聯，然而作者發現在上述黑色素瘤數據集中，其與TME亞型并無顯著聯系。多因素整合分析表明TME亞型可以作為獨立于TMB的預后因子。結合TMB和TME亞型，可以更為準確地預測病人的免疫應答。以往研究報道了多種可以表征病人預后的基因標簽，比如immunophenoscore、PD-L1、TCGA分子亞型等。盡管這些基因標簽在特定數據集中與病人的免疫應答相關，然而并沒有一個基因標簽（包括TME亞型）能對不同來源病人進行準確分類。
免疫治療前后腫瘤TME亞型的動態變化
TME可以直接影響腫瘤的免疫治療效果，追蹤TME的動態變化可以指導臨床的精準施藥。作者選擇了不同免疫治療前后的黑色素瘤患者作為分析對象，比較治療前后TME亞型的變化情況。結果發現，對anti-CTLA4產生免疫應答的患者多為IE/F和IE亞型，而抵抗治療的多為F和D亞型（圖5）。在anti-PD1數據集中，產生免疫應答的患者在治療前大多屬于IE/F或IE亞型，治療后維持原有亞型或更加immune-enriched的狀態；而抵抗治療的患者維持F或D亞型，或發展到immune-depleted/fibrotic的狀態。作者還發現產生應答的患者中，T/NK細胞相關的Fges活性在治療后顯著增強，表明治療激活了腫瘤的免疫環境。
TME亞型與腫瘤基因突變相關
基因/致癌通路的突變可以影響TME，作者發現染色體上編碼免疫基因或癌基因區域的結構變異與TME亞型顯著相關（圖6）。免疫治療的靶基因PD-L1和PD-L2（9p24）在IE亞型的腫瘤中顯著擴增，由此推測腫瘤內重新激活的淋巴細胞可能促進了這些免疫檢查點的上調。抗凋亡基因BCL2L1（20q11.21）在IE亞型的腫瘤中廣泛擴增，而在F亞型中多為缺失。此外，IE亞型的腫瘤中與DNA損傷修復相關的基因具有更高頻率的突變，推測可能會產生較多的新抗原，從而響應免疫治療。在此基礎上，作者整合了已知的基因突變靶點，結合TME分型可以進一步地指導臨床治療。值得注意的是，在泛癌水平上并沒有發現一些基因特定類型的變異在4類TME亞型中明顯富集，推測可能與各癌種自身特性以及TCGA中不同癌種規模大小有關。
TME亞型分子特征數據庫
前文分析中，作者鑒定了4類在泛癌水平上保守的TME亞型，并比較了不同亞型腫瘤的分子特征和病人預后。為了更加直觀地展示不同亞型乃至個別病人的TME特性，作者搭建了便于訪問的數據庫（https://science.bostongene.com/tumor-portrait/）。訪問時，用戶可根據個人需求選擇特定癌種，隨后可以直觀地獲得不同病人的TME詳情以及潛在的治療靶點（圖7）。此外，用戶還可以自定義地分析不同TME亞型病人在具體分子通路上的差異，并完成在線繪圖。
小結
TME對腫瘤的治療效果有巨大影響。Nathan Fowler等人系統地解析了TCGA數據庫中多種癌種的TME特征，并鑒定出4類保守的TME亞型。不同的TME亞型與病人預后顯著相關，并可以預測腫瘤的免疫應答，具有實際的臨床指導意義。科研方面，在已有TCGA腫瘤亞型（分子/免疫等）的基礎上，TME分型提供了解析腫瘤特征的新角度。此外，在作者搭建的數據庫中，用戶可下載~8000例腫瘤樣本的Fges數據，更加便于科研人員結合自身需求開展個性化研究。
