シングルセルトランスクリプトーム分析により、TOXはT細胞疲労の促進因子であり、ヒトがんにおける抗PD-1反応の予測因子として明らかになります

背景：T細胞は、腫瘍微小環境で不均一な機能状態を示します。免疫チェックポイント阻害剤（ICIS）は、幹細胞のような前駆細胞疲労T細胞のみを再活性化できます。これは、枯渇の進行を阻害すると免疫療法の有効性が改善することを示唆しています。したがって、T細胞の疲労を促進する調節因子は、プロセスを遅らせ、ICIの有効性を改善するための潜在的なターゲットとして機能する可能性があります。 方法：ヒト黒色腫と非小細胞肺癌（NSCLC）サンプルに由来する単一細胞トランスクリプトームデータを分析し、PDCD1（PD-1）レベルに基づく腫瘍炎症（TI）CD8+ T細胞集団を分類しました。PDCD1-HIGHおよびPDCD1-low細胞。さらに、腫瘍内T細胞の疲労を調節する候補因子として、差次的に発現した遺伝子を特定しました。TI CD8+ T細胞の免疫チェックポイント（IC）分子を伴う候補遺伝子の共発現は、単一細胞軌道とフローサイトメトリー分析によって確認されました。候補レギュレーターの機能喪失効果は、細胞ベースのノックダウンアッセイによって調べられました。候補レギュレーターの臨床効果は、全生存率とANTI-PD-1応答に基づいて評価されました。 結果：ヒト黒色腫とNSCLCにおけるTI CD8+ T細胞のPDCD1-HIGHおよびPDCD1-LOWサブセットの間で、差次的に発現した遺伝子の間でT細胞疲労を調節するための多くの既知の要因を回収しました。TOXは、両方の腫瘍タイプで予測された唯一の転写因子（TF）でした。TOXレベルは、CD8+ T細胞がより疲れるようになるにつれて増加する傾向があります。フローサイトメトリー分析により、TOX発現と腫瘍内T細胞疲労の重症度との相関が明らかになりました。ヒトTi CD8+ T細胞のTOXノックダウンは、PD-1、TIM-3、TIGIT、およびCTLA-4のダウンレギュレーションをもたらしました。これは、がんのICタンパク質を上方制御することにより、TOXが腫瘍内T細胞疲労を促進することを示唆しています。最後に、Ti T細胞のTOXレベルは、黒色腫およびNSCLCにおける全生存と抗PD-1の有効性を非常に予測していることがわかりました。 結論：ヒトTIリンパ球の単一細胞トランスクリプトームプロファイルを使用して、T細胞疲労に関与する調節因子を予測しました。TOXは、IC分子のアップレギュレーションを介して腫瘍内CD8+ T細胞排出を促進しました。これは、TOX阻害がT細胞の枯渇を潜在的に妨害し、ICIの有効性を改善できることを示唆しています。さらに、抗PD-1免疫療法を含む抗腫瘍治療中の患者の層別化には、Ti T細胞におけるTox発現を使用できます。

BACKGROUND: T cells exhibit heterogeneous functional states in the tumor microenvironment. Immune checkpoint inhibitors (ICIs) can reinvigorate only the stem cell-like progenitor exhausted T cells, which suggests that inhibiting the exhaustion progress will improve the efficacy of immunotherapy. Thus, regulatory factors promoting T cell exhaustion could serve as potential targets for delaying the process and improving ICI efficacy. METHODS: We analyzed the single-cell transcriptome data derived from human melanoma and non-small cell lung cancer (NSCLC) samples and classified the tumor-infiltrating (TI) CD8+ T cell population based on PDCD1 (PD-1) levels, i.e., PDCD1-high and PDCD1-low cells. Additionally, we identified differentially expressed genes as candidate factors regulating intra-tumoral T cell exhaustion. The co-expression of candidate genes with immune checkpoint (IC) molecules in the TI CD8+ T cells was confirmed by single-cell trajectory and flow cytometry analyses. The loss-of-function effect of the candidate regulator was examined by a cell-based knockdown assay. The clinical effect of the candidate regulator was evaluated based on the overall survival and anti-PD-1 responses. RESULTS: We retrieved many known factors for regulating T cell exhaustion among the differentially expressed genes between PDCD1-high and PDCD1-low subsets of the TI CD8+ T cells in human melanoma and NSCLC. TOX was the only transcription factor (TF) predicted in both tumor types. TOX levels tend to increase as CD8+ T cells become more exhausted. Flow cytometry analysis revealed a correlation between TOX expression and severity of intra-tumoral T cell exhaustion. TOX knockdown in the human TI CD8+ T cells resulted in downregulation of PD-1, TIM-3, TIGIT, and CTLA-4, which suggests that TOX promotes intra-tumoral T cell exhaustion by upregulating IC proteins in cancer. Finally, the TOX level in the TI T cells was found to be highly predictive of overall survival and anti-PD-1 efficacy in melanoma and NSCLC. CONCLUSIONS: We predicted the regulatory factors involved in T cell exhaustion using single-cell transcriptome profiles of human TI lymphocytes. TOX promoted intra-tumoral CD8+ T cell exhaustion via upregulation of IC molecules. This suggested that TOX inhibition can potentially impede T cell exhaustion and improve ICI efficacy. Additionally, TOX expression in the TI T cells can be used for patient stratification during anti-tumor treatments, including anti-PD-1 immunotherapy.