Nature 鉴定了新的胰腺癌巨噬细胞亚群IL-1β TAM，诱导炎性重编程

🌿 背景简介

胰腺导管腺癌（PDAC）是一种具有高抵抗性的致命癌症，目前的治疗选择有限。研究表明，在PDAC的肿瘤微环境中存在多种炎症和免疫信号，这些信号导致细胞修复和毒性反应的混乱。肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）在PDAC中发挥关键作用，但它们的多样性使得治疗利用受到阻碍。这项研究旨在深入了解胰腺癌中巨噬细胞的功能，以揭示新的治疗前景。

🔬 研究发现

1. IL-1β TAMs是PDAC中的一种巨噬细胞亚群，其转录谱富含炎症反应、细胞趋化和血管生成基因，但缺乏干扰素应答和抗原呈递相关基因。它们与PDAC的发展和患者预后相关。

2. IL-1β TAMs来源于循环单核细胞，通过IL-1β、TNF和PGE2的协同作用导致其分化为这一特定亚群。

3. PGE2是肿瘤细胞产生的一种重要信号分子，与IL-1β TAM状态的形成密切相关。通过抑制PGE2产生，可以减少IL-1β TAMs的积累，增加CD8 T细胞的浸润，延缓肿瘤生长。

4. COX2抑制和PGE2缺失导致PDAC的免疫环境重新编程，使肿瘤得到控制，而这种控制不依赖于干扰素的作用。

📌 研究亮点

该研究的亮点在于它不仅提供了深刻的洞察，揭示了PDAC中巨噬细胞的多功能性和多样性，还明确了肿瘤细胞和TAMs之间的复杂相互作用。此外，研究发现炎症程序可以与癌基因突变相互作用，增加癌症发展的风险。最重要的是，通过阻断前列腺素E2（PGE2）或白细胞介素-1β（IL-1β）的活性，研究团队成功实现了TAM的重编程，抵消了肿瘤内外的炎症，从而在动物模型中实现了PDAC的控制。

📜 结论与意义

这项研究的结论与意义在于，它为胰腺癌的治疗提供了新的战略方向。通过针对前列腺素E2（PGE2）和白细胞介素-1β（IL-1β）的活性，研究为重新调整免疫动态提供了潜在的预防或治疗策略。这对于克服PDAC的治疗挑战具有重要的启示意义，有望改善患者的生存率。

▉结果：

1.鉴定PDAC中IL-1β TAM亚群

使用来自未经化疗或接受化疗的胰腺导管腺癌（PDAC）患者的新鲜分离肿瘤样本进行单细胞测序分析。研究主要关注单核吞噬细胞（MNPs）的亚分类，特别是肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的不同亚群，以探究它们在不同患者和不同治疗情况下的相对丰度和基因表达模式。

研究发现：通过对MNPs的子群进行细分，研究揭示了TAMs的不同亚群，它们在未经化疗和接受化疗的患者之间的相对丰度和基因表达程序在很大程度上是一致的。这些不同的TAM亚群包括：

1. SPP1 TAMs，它们表达与脂质代谢（FBP1和APOC1）和吞噬受体（MARCO和MERTK）相关的基因。

2. FOLR2 TAMs，它们表达非典型的髓样标记（LYVE1和SELENOP）基因，类似于常驻巨噬细胞。

3. 其他TAMs亚群表达金属硫蛋白（MT1G、MT1X和MT1E）、热休克蛋白（HSP）或细胞周期（TOP2A和MKI67）相关的基因。

此外，研究还揭示了一种IL1B TAMs亚群，其转录组富含炎症反应、白细胞招募和血管生成程序，但缺乏干扰素反应和抗原呈递的基因表达。IL1B TAMs的存在与患者预后不佳相关。（Fig1 a-d）

2.IL-1β TAM亚群在小鼠PDAC中高度保守

作者使用纵向的单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析KPC胰腺癌模型。这个模型包括了一系列遗传突变（KrasG12D/ , Trp53R172H/ , Pdx1cre/ ），被简称为KPC。他们对血液、胰腺和肿瘤进行了单细胞分析，以深入了解不同时间点的变化。

通过分析巨噬细胞的转录组发现在这个正位移胰腺癌模型中，巨噬细胞的标记基因和转录程序在小鼠和人类之间存在广泛的保守性。这包括Il1b TAMs、Folr2 TAMs、Spp1 TAMs和Mki67 TAMs等亚群。这些亚群在正位移或皮下移植的KPC模型中以及KPC小鼠的原发性肿瘤中均一致地被识别。研究还观察到在小鼠PDAC中早期和持续积累了Il1b TAMs。

进一步的分析揭示了IL-1β在PDAC中的表达，但不在对照小鼠的胰腺巨噬细胞中表达。小鼠IL-1β TAMs表达CD64、CD11c、主要组织相容性复合体II类（MHCII）以及免疫功能调节分子CD80和CD86，同时还表达了免疫功能紊乱的标记物，如CD206、精氨酸酶1（ARG1）和免疫检查点抑制剂PD-L1（Fig1e-g）。

因此，IL-1β TAMs是一种保守的巨噬细胞亚群，它同时表达炎症和免疫抑制标记物。

3.IL-1β TAM来自于单核系

研究中使用单细胞RNA测序数据，对小鼠单核细胞和巨噬细胞，从血液、胰腺和肿瘤中的数据进行整合，推断祖先-后代关系。研究发现，IL-1β TAMs更有可能来自单核细胞，而不是真正的常驻Clps 或Folr2 巨噬细胞。

进一步的分析还揭示了一条连接肿瘤浸润单核细胞和IL-1β TAMs的轨迹，IL-1β TAMs的关键标记基因（如Il1b、Ptgs2和Cxcl2）推动了这一预测的转变。单核细胞在进入肿瘤后迅速上调这些转录本，并在小鼠和人类PDAC中逐渐获得IL-1β TAM的身份。这也得到了蛋白水平上的证实，IL-1β在对照和携带肿瘤的小鼠循环单核细胞中的水平较低，但在进入肿瘤后显著增加。

研究团队还进行了Ms4a3cre-RosaTdT小鼠的谱系追踪实验，这种小鼠的粒细胞-单核细胞前体（GMP）及其后代被不可逆地标记为tdTomato。研究发现，绝大多数IL-1β TAMs都是tdTomato ，表明这些细胞起源于循环的单核细胞，它们浸润到肿瘤中并受到肿瘤微环境中的局部因素的影响（Fig2a-e）。

4.PGE2和TNF诱导IL1β TAM的产生

在单核细胞向IL-1β TAM的转化过程中，研究团队观察到IL-1和TNF响应的GO在驱动这一过程的基因中富集，这表明这一过程与炎症反应相关。IL-1β TAMs的转录组富含在小鼠巨噬细胞中由IL-1β或TNF诱导的基因，同时在人类PDAC中也检测到了这两种分子。

尽管用IL-1β或TNF处理小鼠骨髓来源的巨噬细胞（BMDMs）未能引发IL-1β的合成，但这突出了需要额外因素的必要性。已知的免疫TME调节因子PGE2能够刺激IL-1β的产生，同时抑制巨噬细胞中的干扰素反应。研究团队检测到人类和小鼠PDAC的活检组织以及肿瘤细胞培养上清液中PGE2水平较高，PGE2诱导的基因在IL-1β TAMs中过度表达。实验结果表明，PGE2和TNF可以协同触发IL-1β TAM状态，导致BMDMs和单核细胞中强烈的IL-1β合成。

5.IL1β TAM聚集在缺氧区域

通过免疫荧光分析发现，PDAC的植入模型中，IL-1β TAMs更倾向于分布在丰富成纤维细胞的肿瘤周围的基质区域，而不是肿瘤核心。这种巨噬细胞亚群的分布差异早期出现在小鼠肿瘤中，也在人类PDAC中可检测到。

随后，研究团队进行了小鼠PDAC的单细胞和空间转录组分析。通过基于转录组的细胞亚群解卷积，得到的结果与蛋白质表达一致。空间主成分（sPC）分析区分出富含IL-1β 、FOLR2 或SPP1 TAMs的区域。将PGE2加TNF协同诱导的基因签名投影显示与富含IL-1β TAMs的区域有广泛的重叠。IL-1β TAM区域富含与炎症、缺氧、血管生成和伤口愈合相关的GO术语，这些结果得到了免疫荧光分析的验证，显示IL-1β TAMs靠近CD31 VEGFR2 内皮细胞和缺氧区域。

综上所述，这些发现表明IL-1β TAMs在PDAC中经历局部特异性分化，与炎症、血管生成和缺氧相关，这些环境因素与PGE2和TNF的协同活性密切相关。

6.PDAC来源的PGE2促进IL-1b TAM的产生促进PDAC生长

使用Celecoxib抑制COX2降低了PDAC中PGE2的水平，减少了IL-1β TAMs和单核细胞的积累，增加了细胞毒性的GZMB CD8 T细胞的浸润，并延缓了肿瘤生长。

通过COX2敲除，生成不产生PGE2的PDAC细胞系，这些细胞系在体内移植后，受到CD8 T细胞和NK细胞的控制，伴随着肿瘤引流淋巴结中淋巴细胞的激活增加。尽管中性粒细胞频率减少，但免疫细胞的组成在早期疾病阶段基本相似。

使用单细胞RNA测序分析，揭示了PGE2对胰腺肿瘤微环境中特定细胞群（如巨噬细胞、活化的T细胞和成纤维细胞）的基因表达产生显著影响。

COX2-KO肿瘤中的IL-1β TAMs显示出减少的特征基因表达和炎症反应标记，同时获得了干扰素应答的特征。

COX2-KO肿瘤在缺乏干扰素α和干扰素β受体的小鼠（Ifnar1−/− 小鼠）中仍然得到了控制，这表明肿瘤源性PGE2在推动IL-1β TAM状态中发挥了关键作用，同时显示出抑制COX2导致肿瘤微环境重编程和疾病控制的干扰素非依赖性作用。

综上所述，这项研究揭示了PGE2和COX2在PDAC中的重要作用，特别是在调控IL-1β TAM状态和肿瘤免疫微环境中的作用。这些发现为针对PDAC的免疫治疗提供了新的理论和实践基础。

使用抗体介导的IL-1β靶向治疗延缓了胰腺导管腺癌（PDAC）的生长，伴随着单核细胞和巨噬细胞中IL-1β表达的减少，以及引流淋巴结中细胞毒性T细胞的活化增加。通过重新分析患者单细胞RNA测序数据，确定了肿瘤单核细胞和IL1B 巨噬细胞是人类PDAC中IL-1β的主要来源。

通过在血液-组织嵌合小鼠中进行肿瘤挑战实验，揭示了IL-1β在肿瘤微环境中的细胞靶点。结果表明，缺乏IL-1受体的供体骨髓细胞或野生型对照供体骨髓细胞移植到对应的受体小鼠中，均未观察到肿瘤生长的缺陷，这表明IL-1β的癌症促进作用不是由造血细胞或基质细胞中的信号传导所驱动。相反，PDAC细胞中的IL-1受体IL1R1-KO显示出明显降低的肿瘤形成能力，伴随着IL-1β 单核细胞的减少和CD8 T细胞的活化增加。再次在IL1R1-KO PDAC细胞中重表达IL1R1可恢复肿瘤在体内的生长。

最后，IL-1β的刺激促进了控制PDAC细胞的器官样体生成，而IL1R1-KO PDAC细胞则无法实现器官样体生成，IL1R1-KO肿瘤的切片显示器官样体形成效率降低。这些数据突显了PDAC生长对于肿瘤细胞内在IL-1β信号传导的需求。

7.在胰腺肿瘤发生过程中，炎症重编程很早就发生

通过整合PDAC细胞和器官样体的RNA-seq数据，定义了一个肿瘤内在的IL-1β响应基因特征（T1RS）。这个基因模块在小鼠和人类PDAC的转录组中富集，并与IL-1β 巨噬细胞的丰度以及TCGA中的低生存率相关。

对胰腺导管腺癌（PDAC）的长期单细胞RNA-seq分析显示，T1RS在早期时间点的肿瘤细胞中上调，预示着指数型疾病增长，以及增殖、上皮-间质转化（EMT）和细胞外基质重塑程序的获取。

对胰腺肿瘤发展的小鼠模型的基因表达数据分析显示，T1RS基因在良性胰腺上皮内病变（PanIN）的细胞中表达最高，而在已建立的PDAC和远处转移中维持较高水平。

来自患有遗传性或特发性慢性胰腺炎的患者的一部分巨噬细胞显示出与IL-1β TAMs相似的基因表达程序。此外，正常或携带Kras突变的小鼠细胞在经过胰腺炎驱动的慢性胰腺炎后，显示了T1RS表达的显著增加。

进一步的实验表明，炎症性重新编程是胰腺肿瘤形成的早期事件，导致与疾病进展和患者不良预后相关的持续转录变化。这一发现强调了炎症性重新编程对胰腺肿瘤发展的重要性。

8.IL-1β TAMs 与 T1RS PDAC 共同定位

通过分析胰腺导管腺癌（PDAC）患者的单细胞RNA-seq数据，发现了一部分肿瘤细胞表达高水平的T1RS。

通过伪时分析，确定T1RS PDAC细胞是一个基因表达轨迹的终点，该轨迹由T1RS本身以及已知的IL-1β靶基因（如NFKBIA、IL1RN和CXCL1）的表达逐渐增加驱动。

T1RS PDAC细胞的预测发展与肿瘤标记物的增加（如CEACAM6、CEACAM7和KRT19）以及与胰腺肿瘤形成相关的GO术语（如KRAS信号通路、低氧、EMT、p53信号通路和TGFβ信号通路等）相关联。

利用人类PDAC的单细胞空间基因表达数据，识别了IL-1β 巨噬细胞以及PDAC肿瘤细胞之间的局部相互作用。这些分析发现T1RS PDAC细胞和IL-1β TAMs之间存在明显的空间关联。

通过配体-受体相互作用分析，确定了PDAC肿瘤细胞和IL-1β TAMs之间的交流主要通过PGE2-IL-1β通路维持。

这些发现突显了IL-1β TAMs与T1RS PDAC细胞之间的空间限制性交流，该交流由PGE2-IL-1β通路维持。这一相互作用可能有助于解释肿瘤细胞的炎性重编程和病理性程序的获取。