桐树基因助力非小细胞肺癌患者肺和脑转移病灶的演变特征和免疫分化研究

该研究成果发表于Molecular Cancer Research上，IF = 6.333。

肺癌脑转移是肺癌相关死亡的主要原因之一，但目前对非小细胞肺癌（NSCLC）脑转移的认识仍非常有限。许多脑转移患者无法从免疫治疗中获益。对配对的原发肿瘤（PT）及脑转移（BM）病灶进行全面的基因组分析，可能为肿瘤进化和免疫特征提供新的见解。

首先针对14例NSCLC患者中配对的PT和BM样本进行全外显子测序（WES）数据分析。然后还针对另外13例患者的配对样本进行验证分析。

首先在发现队列中比较了PT和BM样本之间的突变差异。典型的突变基因主要富集在2个通路:基因组完整性和RTK信号通路。

研究者计算了原发病灶及其配对的脑转移病灶突变谱的余弦相似性，发现几乎所有患者的原发与配对的脑转移病灶突变谱都显示出高度的一致性。

为了研究肿瘤内的异质性，本研究将基因突变分为特有突变（仅在原发或脑转移病灶中存在）和共有突变（在原发和脑转移病灶中都存在）。发现PT和BM样本之间具有显著更高的异质性，共有基因突变的中位比例为4.9%，其比例低于特有突变（图1）。

（图片1）

BM样本中的CNA负荷 （CNA burden）显著高于PT 样本 (p = 0.017)。本研究还比较了配对的PT和BM样本不同的基因组学特征，包括加权基因组不稳定性指数（wGII）、ITH指数和SDI指数。BM样本中的wGII, SDI和ITH均高于PT样本 (p=0.0031, p=0.0017, p=0.036)。

因此，中国NSCLC患者中BM样本的染色体不稳定性(CIN)可能比PT样本增加 (图2)。

（图片2）

Ts被定义为从转移播种到原发肿瘤诊断的时间。本研究预估了中国癌症队列中脑转移（单克隆转移）的Ts，预估与原发肿瘤诊断相关的播种时间为0.68年。

其中4名患者（P6、P10、P11、P13）在原发性肿瘤确诊之前可能存在转移。然而，我们的临床数据显示，两名患者（P6和P8）在最初诊断时有脑转移。这一结果表明，脑转移可能发生在初步诊断之前，可能在诊断后很长时间内无法检测到。

本研究进一步研究了驱动基因变异的演变。每例样本中主干和分支变异的中位比例分别为2.4%和97.6%。分支变异在所有检测的样本中占优势。4个驱动基因是主干变异，包括两个常见的驱动基因，EGFR和TP53。SMAD4和GNAQ在3名患者中的1名属于主干变异 (图3)。

（图片3）

本研究还分析了TMB、HLA基因型和肿瘤新抗原情况，以研究原发和脑转移病灶的免疫特征。

首先计算了每个肿瘤样本的TMB，发现每个患者的成对样本中都存在异质性。根据所有肿瘤中识别到的体细胞突变预测新抗原，发现在9名（64%）患者中识别到新抗原。PT样本的肿瘤新抗原负荷(TNB)与配对的BM样本相似。

为了探究PT和BM样本的特征差异，将新抗原分为特有变异（仅在PT或BM中存在）和共有变异（两者中都存在）。我们观察到共有的新抗原比例相对较低，中位值为9.1%。

由于普遍认为新抗原在个性化的疫苗治疗中具有临床意义，本研究进一步探究了HLA基因型的分布。总共确认了44个基因型，包括12个MHC I分子和32个MHC II分子。大部分属于HLA-B和HLA-C。较多的新抗原与HLA-C*07:02和HLA-B*07:05等位基因相关，尤其是HLA-C*07:02等位基因，其预测了115种新抗原。在5例样本中发现HLA-G*01:01等位基因，预测34种新抗原。此外，还确认了几个HLA-A等位基因，可以预测新抗原（图4）。

（图片4）

本研究通过另一个中国队列的WES数据来验证上述结果。比较了该队列中原发和脑转移病灶的基因组特征。与发现队列的结果一致，本研究观察到原发和转移病灶的一致性。

常见的变异主要集中在三种途径：RTK信号通路、基因组完整性、染色质和转录因子信号通路。基因组完整性和RTK信号通路相关基因与发现队列中的基因相似。脑转移病灶的wGII高于原发的肺癌样本 (p=0.11)。在验证队列中发现，脑转移病灶的ITH和SDI高于原发病灶 (p=0.17,p=0.13)。与发现队列相似，大多数患者的原发和配对的脑转移病灶之间观察到高度的突变一致性。

脑转移病灶的CNA burden也高于原发肿瘤（p=0.056）。CNA burden、wGII、ITH和SDI在原发和配对的脑转移病灶中的趋势与发现队列结果一致（图5）。

（图5）

本研究确定了肺癌脑转移病灶的特征，这些特征在四个维度上与原发肺癌不同：基因组差异、进化特征、免疫特征和传播时间，如更高的基因组不稳定性、新的驱动基因、脑转移病灶特有新抗原和更多样的免疫微环境。这些发现为脑转移过程提供了新的见解。