细胞焦亡结合免疫发7分+2区SCI

今天给大家介绍一篇2022年4月发表在frontiers in Immunology（7.561）上的一篇文章。作者基于TCGA数据集构建细胞焦亡相关的预后模型，可以准确预测MIBC患者的生存期和免疫治疗反应。

Pyroptosis-Related Signature Predicts Prognosis and Immunotherapy Efficacy in Muscle-Invasive Bladder Cancer

肌肉浸润性膀胱癌的细胞焦亡相关特征预测预后和免疫治疗效果

摘要

细胞焦亡对肿瘤细胞增殖，侵袭和转移具有重要作用，对不同癌症类型具有重要的临床意义。然而，对于肌肉浸润性膀胱癌（MIBC）的进展和预后，细胞焦亡的作用仍然不是十分清楚。本研究收集了多组MIBC数据集并进行综合分析，分析细胞焦亡在MIBC中的作用，为MIBC的治疗提供有价值的信息。作者对转录组数据集进行分析并构建预后模型（PRGScore）并研究其与细胞焦亡表型相关的免疫特征，基因组突变和临床特征。PRGScore-高的样本CD8+ T细胞效应功能，抗原加工和免疫检查点和预后较好有关。总的来说，作者的研究为研究细胞焦亡及其免疫微环境和MIBC治疗提供有价值的信息。

流程图

结果

1. 数据集的获取和下载

从TCGA数据库下载TCGA-BLCA数据集，从GEO数据库下载GSE31684,GSE48075,GSE87304,GSE169455和单细胞数据集GSE135337。使用R包IMvigor210CoreBiologies下载接受免疫治疗的数据集EGAS00001002556和GEO数据集GSE176307。

2. MIBC中细胞焦亡相关调控因子的基因组和转录组特征

TCGA数据集，GSE87304,GSE31684,GSE48075和GSE169455数据集共包含909例MIBC样本，IMvigor210和GSE176307分别包括348和90例mUC样本。首先，作者研究TCGA-MIBC数据集中细胞焦亡相关裂解酶和GSDM基因的表达水平。结果表明，基底鳞状上皮亚组中CASP1,CASP4,CASP5,GZMA和GZMB的表达水平较高（图1A），与其他亚组相比，除了CASP6,CASP7,CASP9和DFNA5，其余调控因子在神经元样本中均下调表达。接下来，作者使用蛋白互作网络评估半胱天冬酶，颗粒酶和GSDM的潜在功能。结果表明，这些调控因子主要参与调控免疫反应和基质及致癌物质激活（图1B）。在基因组水平，有371例MIBC样本存在细胞焦亡相关调控因子的体细胞突变，其中CASP8，CASP1和CASP5的突变频率最高（图1C）。CNV分析表明，大部分裂解酶存在拷贝数缺失（图1D和1E）。总的来说，MIBC中与细胞焦亡相关的调控因子的表达和突变存在高度异质性。

图1 TCGA-MIBC数据集的转录组和基因组水平分析

3. MIBC中10个细胞焦亡相关调控因子和细胞焦亡预后特征

作者基于10种细胞焦亡相关裂解酶的表达水平对TCGA-MIBC进行一致性聚类，共聚为两类（P1和P2）。生存分析表明，P2组的总生存期和无进展生存期较长（图2A）。由于gasdermins在细胞焦亡中发挥着重要作用，作者随后评估了MIBC患者的预后价值。结果表明，GSDMB的表达与总生存期有关，GSDMB-高组的OS和PFS较好。作者根据裂解酶的表达模式和GSDMB的表达水平将患者分为三种细胞焦亡模式（簇1-3）。簇1为P2组且GSDMB表达水平较高，簇2为P1组且GSDMB表达水平较低，其余为簇3。3个簇的OS和PFS存在显著差异，其中簇1的OS和PFS较高而簇2的预后最差（图2C）。

图2 TCGA-MIBC的细胞焦亡模式和生物学特征

4. 细胞焦亡模式与临床特征和分子特征的相关性

为研究不同焦亡模式的潜在生物学功能差异，作者对这三个簇进行GSVA分析。簇1和簇3富集于完全激活的免疫功能相关通路，包括淋巴细胞迁移，抗原加工和呈递，toll样受体信号通路，干扰素介导的信号通路和趋化因子信号通路，簇2与免疫抑制相关过程显著相关（图2D和2E）。ssGSEA分析表明簇1患者富集与免疫分化和干扰素应该，簇2富集于尿路上皮和管腔分化相关通路，簇3富集于免疫分化和干扰素应答打分（图2F）。

5. MIBC三种细胞焦亡模式的TME浸润差异

为研究不同焦亡模式中TME的免疫学特征，作者评估了不同免疫调控因子和免疫检查点表达水平及肿瘤浸润免疫细胞的浸润水平。结果表明，簇1中HLA-A,HLA-B,HLA-C和HLA-E及MHC-II组分上调表达（图3A），表明抗原呈递和加工能力增强。关键趋化因子及其受体CCL3,CCL4,CCL5,CXCL9,CXCL10,CXCL11,CXCL13,CCR1,CCR5和CXCR3在簇1中上调（图3A）。这些趋化因子会促进CD8+ T细胞，NK细胞和抗原呈递细胞的招募表明簇1的TME能够招募更多的抗肿瘤免疫细胞。作者研究癌症免疫活动周期的细胞焦亡模式，簇1在大多数免疫循环步骤中上调，包括癌细胞抗原释放，肿瘤抗原呈递，启动和激活，免疫细胞转运到肿瘤，免疫细胞浸润到肿瘤，T细胞识别癌细胞，杀死癌细胞（图3B）。然而，簇2在以上步骤中活性下调，除了CD8+ T细胞招募外簇3的活性与簇1类似。CIBERSORTx分析表明，簇1中M1巨噬细胞，CD8+ T细胞，激活NK细胞和CD4+ T细胞丰度较高，而簇2中肥大细胞，M2巨噬细胞，调节性CD4+ T细胞和静息CD4+T细胞丰度较高（图3C）。免疫检查点表达水平分析表明，簇1和簇3中免疫检查点抑制基因表达水平的表达水平较高而在簇2中表达水平较低（图3D）。

图3 不同细胞焦亡模型的TME和转录组特征

6. 通过细胞焦亡相关基因对MIBC亚型分类

在簇1-簇3中鉴定到190个DEGs（图3E）。DEGs富集与免疫激活和应答相关生物通路，包括抗原加工和呈递，T细胞活化和NK细胞介导的细胞毒性（图4A和4B）。单因素Cox回归分析进一步筛选到57个DEGs，基于这57个DEGs进行一致性聚类将MIBC患者分为4个亚型（P1-P4）（图4C-4E）。这4个亚型的临床结局不同，其中P4的OS和PFS较高（图4D和4E）。P4中CASP1,CASP4,CASP5,GZMA和GZMB的表达水平较高（图4F），且CD8+ T效应因子，抗原加工机制和免疫检查点打分最高（图4G和4H）。此外，基于这57个DEGs对GSE87304数据集进行一致性聚类，分为4个亚型。其中P4的CASP1,CASP4,CASP5,GZMA和GZMB的表达水平较高。以上结果表明，在MIBC的TME中，与焦亡相关的基因特征具有较好的分类效果，P4与焦亡和免疫激活显著相关。

图4 MIBC亚型分类

7. MIBC的PRGScore定量肿瘤微环境和细胞焦亡状态

作者对这57个DEGs进行PCA分析并构建PRGScore定义每例MIBC患者的细胞焦亡状态（图4C）。PRGScore-高组的生存期较好而PRGScore-低组的生存期较差（图5A-5C）。接下来，作者评估PRGScore与TME特征的关系，PRGScore与CD8+ T细胞效应因子，抗原加工机制和免疫检查点富集打分正相关（图5D）。GSEA分析表明PRGScore-高组与免疫激活相关集相关，包括炎症，干扰素α和γ介导的信号通路，抗原加工和呈递，自然杀伤细胞活化和T细胞活化调节（图5E和5F）。桑基图表明簇2与PRGScore-低相关（图5G）。KW检验表明，簇1的PRGScore最高且P4的PRGScore最高（图5H）。簇1-簇3的PRGScore与GO生物学过程的细胞焦亡打分一致（图5I）。

图5 基于细胞焦亡特征构建的PRGScore

8. PRGScore-高揭示免疫活性肿瘤微环境

接下来，作者对单细胞转录组数据集进行分析，共聚为6类细胞分别为上皮细胞，内皮细胞炎症癌相关成纤维细胞（iCAFs），T细胞，髓细胞和B细胞（图6A和6B）。与其他GSDMs相比，GSDMB在膀胱癌细胞中显著表达（图6C）。根据PRGScore将7例样本分为高组和低组（图6D）。PRGScore-高组的GSDMB+和GSDMD+恶性细胞比例较高（图6E）。PRGScore-高的样本，T细胞的细胞毒性打分较高，衰竭打分较低（图6F）。随后，作者使用CellChat推断细胞间相互作用，PRGScore-高组的细胞间相互作用较高（图6G），其中T细胞，肿瘤细胞和髓系细胞与其他细胞类型的互作较多（图6H和6I）。此外，CXCL,MHC-II和CCL信号网络增强表明他们在MIBC的进展中发挥重要作用（图6J和6K）。

图6 PRGScore-高组具有免疫活性的肿瘤微环境

9. PRGScore预测MIBC患者对免疫检查点抑制剂治疗的反应

结合PRGScore和TMB，作者发现PRGScore和TMB高的患者预后较好，PRGScore和TMB低的患者预后较差（图7A）。总的来说，TMB与PRGScore正相关，细胞焦亡可能是影响MIBC对抗PD-1/PD-L1免疫治疗的关键因素。PRGScore与大部分免疫检查点基因正相关（图7B）。TIDE分析表明，PRGScore与TIDE打分负相关（图7C）。根据PRGScore将IMvigor210，GSE176307和转移性黑色素瘤免疫治疗队列患者分为PRGScore-高组和PRGScore-低组，PRGScore-高组的患者总生存期较差（图7D-7G）。

10. PRGScore定义了对免疫检查点阻断治疗，新辅助化疗和辅助化疗敏感的MIBC亚型

作者筛选出可以用于治疗MIBC的小分子化合物并研究MIBC药物靶基因表达。在PRGScore-高组中PDCD1,CD274,MPG和ERBB2等的反应较高（图7H），LGALS9的表达较高（图7H）。单细胞数据集分析表明PRGScore-高组的肿瘤细胞和髓系细胞中LGALS9表达较高（图7I）。此外，作者的研究表明具有细胞焦亡状态和LGALS9表达较高的患者总生存期较高（图7J）。

图7 PRGScore预测抗PD-1/L1免疫治疗反应

结论

总的来说，作者的分析表明，PRGScore是MIBC的独立危险因子，为MIBC患者的预后和免疫治疗反应提供有价值的信息。本研究的亮点在于作者使用单细胞转录组数据集研究细胞焦亡相关特征，然而本研究的局限性在于还需要前瞻性数据集验证本研究结果。