三阴性乳腺癌化疗与PD-L1阻断联合疗法背后的不同细胞机制
主要作者与研究机构： 本研究由Yuanyuan Zhang（张园园）、Hongyan Chen（陈红岩）、Hongnan Mo（莫红楠）、Ning Zhao（赵宁）等作为共同第一作者，通讯作者包括Binghe Xu（徐兵河）、Zemin Zhang（张泽民）、Zhihua Liu（刘芝华）和Fei Ma（马飞）。研究机构主要为中国医学科学院肿瘤医院国家癌症中心、北京大学基因组学高级创新中心（BIOPIC）及北京朝阳区桓兴肿瘤医院等。该研究发表于 Cancer Cell 杂志，于2025年2月6日在线发表，收录于2025年3月10日出版的第43卷第446–463页。
研究背景： 三阴性乳腺癌（triple-negative breast cancer, TNBC）是乳腺癌中最难治疗的亚型之一，其分子特征导致治疗选择有限。紫杉醇（paclitaxel, PTX）和白蛋白结合型紫杉醇（nab-paclitaxel, Nab-PTX）是关键的化疗药物，而免疫检查点阻断（immune checkpoint blockade, ICB）为肿瘤治疗带来了革命性变化。2019年，美国食品药品监督管理局（FDA）基于IMpassion130试验结果加速批准了阿替利珠单抗（atezolizumab, ATZ）联合Nab-PTX用于治疗不可切除的局部晚期或转移性TNBC；然而，IMpassion131试验显示ATZ联合PTX未能显著改善无进展生存期，导致该批准被撤回。这种相互矛盾的结果提示PTX和Nab-PTX对肿瘤免疫微环境（tumor immune microenvironment, TIME）可能产生不同影响，但它们与ATZ联合使用的细胞机制差异尚不清楚。本研究旨在利用单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）解析接受不同化疗及化疗免疫联合治疗的TNBC患者的TIME动态变化，揭示不同治疗方案背后的细胞机制，并为提高ICB疗效寻找新的联合策略。
研究流程与主要结果： 研究团队收集了44例TNBC患者的78份肿瘤活检样本，其中16例接受Nab-PTX+ATZ治疗、12例接受Nab-PTX单药、9例接受PTX+ATZ、7例接受PTX单药。样本包括原发乳腺肿瘤和转移灶，患者被分为应答者（responders, R）和非应答者（non-responders, NR）。通过scRNA-seq和T细胞受体测序（TCR-seq），共鉴定出447,494个免疫细胞，包括285,001个T细胞、87,595个B细胞、18,718个自然杀伤（NK）细胞和56,180个髓系细胞。
在CD8+ T细胞的分析中，研究者识别出12个异质性亚群，包括幼稚（Tn）、中枢记忆（Tcm）、效应（Teff）、效应记忆（Tem）、干扰素反应（Tisg）、应激（Tstr）、耗竭（Tex）和增殖性（Tex-MKI67）等亚群。其中，四种Tex亚群以CXCL13和LAG3表达为特征。关键发现是：Nab-PTX+ATZ在应答者中促进了TCF7+干细胞样效应记忆CD8+ T细胞（Tsem）的扩增，同时减少Tex亚群；而PTX+ATZ则倾向于增加Tex水平。通过扩散图（diffusion map）轨迹分析，研究者发现Nab-PTX+ATZ有效阻断了T细胞耗竭进程，使T细胞从Tex谱系转向Tem谱系；而PTX+ATZ在应答者和非应答者中均表现为从Tem向Tex的转变，说明PTX与ATZ联合可能削弱了PTX本身对TIME的有利影响。通过TCR克隆分析和STARTRAC转换指数分析，进一步证实Nab-PTX+ATZ降低了Tex亚群之间的转换活性，同时增强了Tsem的转换枢纽性，而PTX+ATZ仅实现了对Tex转换的部分抑制作用。
在CD4+ T细胞方面，研究者鉴定出16个亚群，包括三个滤泡辅助性T细胞（Tfh）亚群（Tfh-CXCR5、Tfh-IL6ST、Tfh-DUSP4）和两个Tex亚群（Tex-LAG3、Tex-MKI67）。CD4+ Tex和Tfh均高表达CXCL13和PDCD1。发育轨迹分析显示CD4+ T细胞从Tn-CCR7出发分为三个分支：Treg谱系、Tfh/Tex谱系和Th谱系。Tfh/Tex和Treg谱系表现出较高的克隆扩增，提示其肿瘤抗原反应性。Nab-PTX+ATZ在应答者中降低了Treg、Tex和Tisg水平，同时升高了Tn-IL7R和Tfh水平；而PTX+ATZ则升高了Treg和Tstr。Tfh/Tex谱系的层级分析显示，Tfh-DUSP4是过渡态，可分别分化为Tex-LAG3、Tfh-CXCR5和Tfh-IL6ST。Nab-PTX+ATZ在应答者中驱动Tfh-DUSP4向Tfh方向分化，而抑制其向Tex分化；PTX+ATZ仅引起从Tfh-DUSP4到Tfh-CXCR5的轻微转变。
在髓系细胞分析中，最引人注目的发现是肥大细胞（mast cells, MCs）在Nab-PTX相关治疗应答者中的扩增趋势。尽管p值未达到显著性，但预测指数（predictive index, PI）和治疗指数（therapeutic index, TI）分析显示肥大细胞的基线水平和扩增与对Nab-PTX的有利应答相关。研究者利用鼠4T1乳腺癌模型验证了Nab-PTX对肥大细胞浸润的影响，发现Nab-PTX升高了Tn、Tcm、Tem和Treg，而抗PD-L1治疗升高了Tsem。为了进一步阐明肥大细胞对TIME的调控作用，研究者使用Compound-48/80（C48/80）——一种促进肥大细胞脱颗粒的阳离子激动剂——在体内激活肥大细胞。结果显示C48/80处理提高了肥大细胞水平，同时升高了Tn、Teff、Tfh和Tex；流式细胞术分析证实C48/80显著增加了肥大细胞、CD8+GZMB+ T细胞和CD4+CXCR5+PD-1+ T细胞。
在树突状细胞（dendritic cells, DCs）方面，Nab-PTX+ATZ在应答者中显著阻断了cDC1和cDC2-CLEC10A向免疫调节性成熟DC（mDC）状态的转变，而PTX+ATZ则增加了免疫调节性cDC2-CD1A亚群。相关性分析显示cDC1与Tfh-CXCR5、Bfoc和Tsem显著正相关，而cDC2-CD1A与Tex和Treg相关。
在单核/巨噬细胞分析中，研究者鉴定出2个单核细胞亚群和12个巨噬细胞亚群。促炎性巨噬细胞macro-CXCL9表达趋化因子CXCL9和CXCL10，与Tfh、Bfoc和cDC1协同变化；而免疫抑制性巨噬细胞如macro-FN1、macro-MT1X和macro-RNASE1则与Treg和cDC2-CD1A相关。Nab-PTX+ATZ在应答者中降低了免疫抑制性巨噬细胞，升高了促炎性巨噬细胞。通过CellChat细胞通讯分析，研究者发现肥大细胞主要通过集落刺激因子（CSF）信号通路向巨噬细胞和单核细胞传递信号，其中macro-FOLR2是主要受体。在小鼠模型中，使用肥大细胞稳定剂色甘酸二钠（disodium cromoglycate, DSCG）抑制肥大细胞脱颗粒，可削弱Nab-PTX+抗PD-L1的抑瘤效果，并导致促炎性巨噬细胞减少、抑制性巨噬细胞增多。更重要的是，C48/80与抗PD-L1联合治疗在小鼠模型中实现了与Nab-PTX+抗PD-L1相当甚至更优的抑瘤效果，同时升高了Tsem、Tn-IL7R、Tcm、Bfoc和cDC1等有益免疫细胞亚群，降低了Tex、Treg、mDC等抑制性亚群。
研究结论与意义： 本研究系统揭示了PTX和Nab-PTX在与ATZ联合治疗TNBC时产生不同临床效果背后的细胞机制。Nab-PTX+ATZ能够将CD8+ T细胞从耗竭状态重编程为干细胞样效应记忆表型，同时将CD4+ T细胞导向Tfh状态，并减少Treg和免疫抑制性巨噬细胞，阻断DCs向免疫调节状态的转变，从而构建强效且持久的T细胞应答。相比之下，PTX+ATZ在应答者中虽也升高了CD8+ Tex和CD4+ Tfh，但同时升高了Treg和抑制性巨噬细胞，这可能是其临床疗效有限的原因。特别重要的是，本研究发现了肥大细胞在Nab-PTX治疗中的扩增及其对TIME的广泛调控作用，尤其是通过促进促炎性巨噬细胞和淋巴细胞招募来增强抗肿瘤免疫。肥大细胞激活与PD-L1阻断的联合策略在小鼠模型中展现出显著的抑瘤效果，为TNBC的免疫治疗提供了新的潜在联合方案。
研究亮点： 本研究的核心亮点在于：（1）首次在单细胞水平系统比较了PTX和Nab-PTX分别与ATZ联合治疗TNBC时的免疫细胞动态差异，揭示了Nab-PTX+ATZ通过重编程T细胞状态和阻断耗竭来实现更优疗效的机制；（2）发现了Nab-PTX特异性诱导肥大细胞扩增的现象，并通过体内实验证明肥大细胞激活可增强PD-L1阻断的疗效；（3）整合了人类临床样本scRNA-seq数据和小鼠模型功能实验，形成了从临床观察到机制验证的完整研究链条；（4）提出了以肥大细胞为靶点增强ICB疗效的新策略，为开发新型联合治疗方案提供了理论依据。该研究不仅深化了对TNBC化疗免疫联合治疗机制的理解，也为临床上优化治疗方案和筛选潜在生物标志物提供了重要线索。