Cancer immunotherapies have shown sustained clinical responses in treating non-small-cell lung cancer, but efficacy varies and depends in part on the amount and properties of tumor infiltrating lymphocytes. To depict the baseline landscape of the composition, lineage and functional states of tumor infiltrating lymphocytes, here we performed deep single-cell RNA sequencing for 12,346 T cells from 14 treatment-naïve non-small-cell lung cancer patients. Combined expression and T cell antigen receptor based lineage tracking revealed a significant proportion of inter-tissue effector T cells with a highly migratory nature. As well as tumor-infiltrating CD8+ T cells undergoing exhaustion, we observed two clusters of cells exhibiting states preceding exhaustion, and a high ratio of “pre-exhausted” to exhausted T cells was associated with better prognosis of lung adenocarcinoma. Additionally, we observed further heterogeneity within the tumor regulatory T cells (Tregs), characterized by the bimodal distribution of TNFRSF9, an activation marker for antigen-specific Tregs. The gene signature of those activated tumor Tregs, which included IL1R2, correlated with poor prognosis in lung adenocarcinoma. Our study provides a new approach for patient stratification and will help further understand the functional states and dynamics of T cells in lung cancer.
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肺癌被称为“癌中之王”，其发病率和致死率在所有癌症中均居首位，其中85%的肺癌属于非小细胞肺癌。考虑到肿瘤微环境的复杂性，近年来单细胞转录组测序技术逐渐被广泛应用于肿瘤浸润免疫细胞的研究当中。T淋巴细胞是参与杀伤肿瘤细胞的关键群体，深入理解肿瘤浸润T细胞的组成、谱系及状态对肿瘤免疫治疗的发展及有效靶点和标志物的开发具有重要意义。
2018年6月25日，北京大学生命科学学院BIOPIC中心、北京未来基因诊断高精尖创新中心、北大-清华生命科学联合中心张泽民研究组携手北京大学第三医院胸外科闫天生研究组，以及拜耳公司，在Nature Medicine杂志发表了题为“Global characterization of T cells in non-small-cell lung cancer by single-cell sequencing”的研究论文，该项研究完成了来自14例非小细胞癌初治患者外周血、癌组织及癌旁组织的12,346个T细胞的单细胞测序工作。刻画了非小细胞肺癌的16个T细胞功能亚群、各亚群的组织分布特征及亚群间的状态转换关系等免疫特征。同时，基于T细胞的转录组数据及T细胞受体（TCR）序列，该研究鉴定出两群跨组织分布的效应T细胞，且这两群细胞具有潜在的迁移属性，这一发现为新免疫疗法的开发提供了思路。
肿瘤微环境中的杀伤性CD8 T细胞由于长期接受抗原刺激，会出现被称为“耗竭”的失能状态。该研究发现，除了耗竭细胞，肺癌的浸润CD8 T细胞群体还包含两群与耗竭细胞可能存在状态转换关系的“前耗竭”细胞。并且，“前耗竭”细胞相对于耗竭细胞的比例与肺腺癌病人的预后相关，这就为肺腺癌提供了新的临床标志物。
靶向抑制杀伤性免疫细胞的调节性T细胞（Treg）也是免疫治疗的一条重要思路。过去的研究通常将肿瘤内部的Treg作为一个整体与癌旁及外周血中Treg进行比较。而本研究发现，根据TNFRSF9（又称4-1BB）的表达可以从肺癌浸润Treg中区分出一群处于激活状态的Treg，该群Treg中抑制功能相关基因的表达水平更高，暗示其为肿瘤中真正发挥抑制功能的Treg细胞。同时，激活态Treg的比例与肺腺癌病人的预后相关，可作为另一可靠的临床标志物。
本论文第一作者北京大学生命科学学院BIOPIC中心博士研究生郭心怡表示，该项工作是国际上迄今为止针对肿瘤相关T细胞的规模最大的单细胞组学研究，为后续的相关研究工作提供了极有价值的数据资源，也为更深入理解肺癌相关T细胞的免疫特质提供了可靠的基础。该项工作的科学发现可以指导肺癌病人的临床分型，也为病人的精准治疗提供了新的思路。
除郭心怡外，北京大学生命科学学院BIOPIC中心博士研究生张园园，博士后郑春红，前沿交叉研究院博士生郑良涛，北医三院胸外科主治医师宋金涛为该论文并列第一作者。北京大学生命科学学院BIOPIC中心、北京未来基因诊断高精尖创新中心、北大-清华生命科学联合中心张泽民，及北医三院胸外科主任闫天生为该论文的共同通讯作者。该研究得到了北大-拜耳战略合作、北京未来基因诊断高精尖创新中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金以及北大-清华生命科学联合中心的资助。