空间转录组学揭示色氨酸代谢限制肿瘤内三级淋巴结构的成熟

Tertiary lymphoid structures (TLSs) are ectopic lymphoid aggregates found in numerous cancers, often linked to enhanced immunotherapy responses and better clinical outcomes. However, the factors driving TLS maturation are not fully understood. Using near single-cell spatial transcriptomic mapping, we comprehensively profile TLSs under various maturation stages and their microenvironment in hepatocellular carcinoma (HCC). Based on their developmental trajectories, we classify immature TLSs into two groups: conforming and deviating TLSs. Our findings indicate that conforming TLSs, similar to mature TLSs, possess a niche function for immunotherapy responses, while deviating TLSs do not. We discover that the tryptophan- enriched metabolic microenvironment shaped by malignant cells contributes to the deviation of TLS maturation. Inhibiting tryptophan metabolism promotes intratumoral TLS maturation and enhances tumor control, synergizing with anti-PD-1 treatments. Therefore, promoting TLS maturation represents a potential strategy to improve antitumor responses and immunotherapy outcomes.

三级淋巴结构（TLSs）是多种癌症中常见的异位淋巴聚集体，通常与更好的免疫治疗反应和临床预后改善相关。然而，驱动TLS成熟的机制尚未完全明确。本研究利用近乎单细胞分辨率的空间转录组图谱，对肝细胞癌（HCC）中不同成熟阶段的TLS及其微环境进行了系统分析。根据其发育轨迹，我们将未成熟TLS分为两类：顺应型TLS和偏离型TLS。研究发现，顺应型TLS与成熟TLS类似，具备对免疫治疗反应促进作用的“生态位”功能，而偏离型TLS则缺乏该功能。进一步分析表明，由恶性细胞塑造的富含色氨酸的代谢微环境是导致TLS成熟偏离的关键因素。抑制色氨酸代谢可促进肿瘤内TLS的成熟，并增强肿瘤控制能力，与抗PD-1治疗协同发挥作用。因此，促进TLS成熟可能成为提升抗肿瘤免疫反应和免疫治疗疗效的潜在策略

研究背景与核心问题

- 背景：三级淋巴结构（TLSs）是肿瘤微环境中形成的异位淋巴组织，其成熟状态与抗肿瘤免疫应答及免疫治疗疗效密切相关。然而，TLSs的异质性及其成熟调控机制尚不明确。

- 核心问题：探究TLSs在肝细胞癌（HCC）中的动态发育状态、分子特征及其与肿瘤代谢微环境的相互作用，尤其是色氨酸代谢对TLS成熟的影响。

研究方法

1. 技术手段：

- 空间转录组学（Stereo-seq）：对HCC患者肿瘤组织进行近单细胞分辨率的空间转录组分析，结合病理学验证（H&E染色、免疫组化）。

- 单细胞RNA测序（scRNA-seq）：解析TLSs中免疫细胞的分子特征。

- 动物模型：通过色氨酸饮食干预及基因操作（如TDO2过表达/抑制），验证代谢调控对TLS成熟的影响。

2. 队列设计：

- 初治队列：22例HCC患者的38个肿瘤样本。

- 抗PD-1治疗队列：7例接受PD-1抑制剂治疗的HCC患者。

关键发现

1. TLSs的分类与功能：

- 未成熟TLSs可分为两类：

- 顺应型TLSs（conforming TLSs）：发育轨迹与成熟TLSs一致，具有抗肿瘤免疫功能，并响应PD-1治疗。

- 偏离型TLSs（deviating TLSs）：发育轨迹异常，缺乏抗肿瘤活性，与色氨酸代谢异常相关。

- 成熟TLSs：富含生发中心B细胞（GC-B），与患者预后正相关。

2. 色氨酸代谢的调控作用：

- 肿瘤细胞通过色氨酸代谢产物（如犬尿氨酸）抑制TLS成熟，导致偏离型TLSs的形成。

- **抑制色氨酸代谢（如低色氨酸饮食或TDO2抑制剂）**可促进TLS成熟，并增强PD-1抑制剂的抗肿瘤效果。

3. 临床意义：

- 提出基于10基因标记的TLS分型模型（含CXCL9等），可预测患者预后及免疫治疗响应。

- 色氨酸代谢调控（如TDO2靶向药物）或成为联合免疫治疗的新策略。

研究意义与局限性

- 意义：

- 首次系统解析TLSs的异质性及其代谢调控机制，为优化免疫治疗提供新靶点。

- 提出“代谢微环境限制TLS成熟”的理论框架，拓展了对肿瘤免疫抑制机制的理解。

- 局限性：

- 色氨酸代谢与TLS成熟的具体分子机制（如代谢物如何直接调控B细胞分化）需进一步验证。

- 样本量较小，需更大临床队列验证分型模型的普适性。

结论

该研究通过多组学技术揭示了色氨酸代谢在TLS成熟中的关键作用，提出通过靶向代谢微环境促进TLS成熟以增强抗肿瘤免疫的新策略，为肝细胞癌的精准免疫治疗提供了重要理论依据。