铁下垂相关基因特征预测脑胶质瘤的预后和免疫治疗

外科黄文斌 2022-02-16

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CNS Neurosci Ther

IF：5.243

Introduction

胶质瘤仍然是中枢神经系统中最常见的原发性恶性肿瘤。根据《世界卫生报告》，胶质瘤可分为四级，其中II级和III级定义为弥漫性低级别胶质瘤（LGG），而IV级胶质瘤也称为胶质母细胞瘤（GBM）.尽管在包括手术切除、放疗和化疗在内的标准治疗方面取得了进展，但由于恶性肿瘤的高度浸润性，胶质瘤患者仍然对当前可用的治疗措施产生耐药性。

细胞死亡涉及恶性转化和肿瘤转移。铁下垂是一种新型的调节性细胞死亡（RCD），由Stockwell等人于2012年发现。这种细胞死亡模式在形态学、生物化学和遗传水平上与其他模式截然不同。

值得注意的是，研究表明，一些对靶向传统细胞死亡过程的化合物如erastin和RSL3的治疗有效地被杀死具有耐药性的癌细胞，这表明诱导铁下垂是胶质瘤治疗中一种很有前景的治疗策略。

除铁下垂的典型特征外，具有铁下垂应激的细胞也伴随着促炎细胞因子的释放，包括IFN-γ。事实上，与细胞凋亡不同的是，由于损伤相关分子模式（DAMP）的释放，铁下垂似乎更具免疫原性，而DAMP反过来会加剧炎症反应。

Results

一.图1总结了数据分析的流程图。在训练阶段，来自GSE108474-REMBRANDT数据集的405名胶质瘤患者被纳入研究，而在验证阶段，其他四个数据集包括TCGA-GBM（151名患者）、TCGA-LGG（450名患者）、CGGA-693（516名患者）和CGGA-325（291名患者）被用于分析。

二.REMBRANDT和TCGA数据中FRGs的表达与变异

FRGs从基因表达（REMBRANDT队列）和变异（TCGA队列）两个方面进行。一方面，在REMBRANDT中，除了ALOX12和ALOX15之外，大多数选定的FRG在GBM、LGG和非肿瘤组之间存在差异表达（图2A）。同样，PCA分析也表明，根据FRGs的表达，患者可以完全区别于三组（图2B）。另一方面，在TCGA队列中也评估了FRGs的变化。研究发现，约有45.14%（265/587）的胶质瘤患者显示FRG前20位突变，其中TP53的突变频率最高（42%），其他19个FRG的突变频率在0%到2%之间（图2C）。同时，CNV状态分析显示59例FRG频繁改变。值得注意的是，HSPB1具有最显著的拷贝数扩增，而包括AKR1C2、AKR1C1、AKR1C3、ZEB1、ALOX5、CISD1、NCOA4、AIFM2和GOT1在内的九个FRG具有最广泛的CNV缺失（图2D）。图2E显示了59个FRG的CNV的位置和突变频率。总的来说，这些结果表明FRGs在不同级别的胶质瘤中有不同的表达和变异。

三.REMBRANDT队列中FRGs相关风险评分的制定

接下来，我们探讨了FRGs是否与胶质瘤患者的预后相关。如图3A所示，FRG通常分为五类，包括铁代谢、脂质代谢、氧化剂代谢、能量代谢等，其中这些FRG相互作用（图3A）。值得注意的是，除GCLC外，大多数与氧化代谢中的铁下垂过程相关的基因都是总生存率的风险因素。图S1B总结了显示FRG危险比的详细信息。此外，基于差分FRG进行无监督聚类分析。我们尝试在2到5个范围内进行聚类分析，发现两种类型的铁下垂簇，包括铁下垂簇1和铁下垂簇2，最适合区分胶质瘤患者。同时，第一组患者的预后优于第二组患者，中位生存期分别为41.9个月和15.2个月（图3B）。此外，属于第2类铁下垂组的患者预后不良，显示了大多数激活的50个标志性基因集，代表了众所周知的生物学过程（图3C），反映了该聚类分析在胶质瘤预后中的价值。为了对FRGs在脑胶质瘤患者中的作用进行个性化评估，在我们目前的工作中，使用指数风险评分构建了RSF。如图3D所示，铁下垂1组患者的风险评分低于铁下垂2组患者。多变量Cox回归分析的结果表明，风险评分是一个独立的预测因素，与胶质瘤分级相似。因此，低风险评分组的中位生存时间为41.9个月（图3E），临床结果更令人满意。此外，在不同级别的胶质瘤患者中，高危评分组的OS较低，II、III和IV级患者的中位生存时间分别为75.3、15.3和12.5个月（图3F）。ROC曲线显示，本研究中风险评分的发展在1年AUC、3年AUC和5年AUC方面表现出良好的预测价值，分别为0.74、0.86和0.89（图3G）。

四.验证CGGA-693、CGGA-325和TCGA队列中FRGs相关风险评分的预后价值

我们通过不同的风险评分组进一步验证了各种数据集（包括CGGA-693、CGGA-325和TCGA）的预后价值。与上述REMBRANDT数据集中的结果一致，通过对三个队列进行多变量Cox回归分析，风险评分也被验证为独立预测因子（图S3B-D）。此外，研究证实，CGGA-693、CGGA-325和TCGA队列的高危评分组中的胶质瘤患者预后不良，中位生存期分别为15.8个月、12.9个月和19.3个月（图4A、图4G和图S4A）。在不同级别的胶质瘤患者中（包括II、III和IV级），尽管CGGA325数据集II级或IV级和TCGA队列IV级的不同风险评分对患者生存率的影响最小，但高风险评分组的OS比低风险评分组短（图4B、图4H）。ROC曲线也验证了1年、3年或5年生存时间的良好预测价值（图4C、图4I）。此外，我们还分析了CGGA-693和CGGA-325队列中风险评分在病理分级、IDH状态和1p/19q共缺失状态方面的作用，这间接反映了胶质瘤患者的预后。39有趣的是，IV级、IDH野生型且1p/19q无缺失的胶质瘤患者具有高风险评分（图4D-F和图4J-L）。与基于WHO评分的分析（1年、3年和5年的AUC分别为0.77、0.78和0.78）相比，我们建立的涉及风险评分的列线图模型在CGGA-693数据集中具有更好的预测价值，AUC分别为0.81、0.84和0.83。在CGGA-325数据集中也获得了一致的结果，尽管在1年OS方面，WHO评分组和列线图组之间没有显著差异。总之，这些数据证实了胶质瘤患者不同风险评分的重要预后价值。

五.REMBRANDT队列中具有不同风险评分的脑胶质瘤免疫治疗评估

由于之前的研究表明，铁下垂过程与肿瘤免疫治疗有关，我们想通过生物信息学探讨铁下垂是否与胶质瘤免疫相关。免疫细胞浸润分析表明，在高危评分组，先天性免疫细胞浸润丰富，包括自然杀伤细胞、巨噬细胞、肥大细胞、MDSC、浆细胞样树突状细胞（嗜酸性粒细胞除外）（图5A）。因此，通过spearman相关分析，使用ssGSEA算法定义的23类免疫细胞的免疫评分也与高风险评分组呈正相关（图5B）。肿瘤免疫周期是评价趋化因子系统和其他免疫调节剂生物学功能的重要指标。在高风险评分组中，观察到周期中各个步骤的活动上调，包括癌细胞抗原的释放（步骤1）、癌抗原提呈（步骤2），免疫细胞招募（步骤4）（CD4 T细胞招募、Th1细胞招募、Th22细胞招募、巨噬细胞招募、单核细胞招募、中性粒细胞招募、NK细胞招募、嗜碱性粒细胞招募和B细胞招募）以及T细胞识别癌细胞（步骤6）（图5C）。这些步骤的活性提高预示着强大的免疫潜力。令我们惊讶的是，我们的结果显示，高风险评分组对癌细胞的杀伤（步骤7）弱于低风险评分组。这可能是由于PD-L1的高表达，如图5D所示。此外，我们还分析了不同风险评分与ICB相关途径之间的关系。研究发现，除系统性红斑狼疮外，高危评分组的大多数患者与ICB相关阳性特征的强化评分呈正相关（图5E）。总之，这些数据表明，与FRGs相关的风险评分的发展可以很好地预测胶质瘤免疫治疗。

六.在具有不同风险评分的CGGA-693、CGGA-325和TCGA队列中验证胶质瘤的免疫治疗

胶质瘤免疫治疗的验证是通过分析不同的队列进行的，包括CGGA-693、CGGA-325和TCGA。在这些队列中，免疫评分证实与风险评分呈正相关（图6A、图6D和图6G）。关于癌症免疫周期，在高风险评分组（图6B、图6E和图6H）中发现癌细胞抗原释放（步骤1）和免疫细胞募集（步骤4）（Th1细胞募集、巨噬细胞募集、单核细胞募集和NK细胞募集）上调。此外，具有高风险评分的患者在CGGA-693、CGGA-325和TCGA队列中表现出PD-L1的高表达，这与训练数据集（REMBRANDT）中发现的结果一致（图6C、图6F和图6I）。有趣的是，其他免疫学指标包括PD-1、CTLA4和IDO-1，它们与胶质瘤的进展密切相关，35也被发现在高危评分组中大量表达（图6C、图6F和图6I）。与REMBRANDT队列中显示的结果一致，其他数据集（包括CGGA-693、CGGA-325和TCGA队列）中高风险评分组的患者与ICB相关阳性特征的富集分数呈正相关。此外，在TCGA队列中，我们目前的工作还分析了肿瘤突变负荷（TMB）、免疫原性突变、DNA甲基化干细胞指数（mDNAsi）和RNA甲基化干细胞指数（mRNAsi），它们被证明与ICB治疗相关，分别为40和41。值得注意的是，在高风险评分组中观察到TMB升高、免疫原性突变和mDNAsi，而在高风险评分的胶质瘤患者中，mRNAsi降低。综上所述，这些结果再次通过风险评分证实了胶质瘤免疫治疗的关键作用。

Conclusion

在此，我们目前的工作旨在在REMBRANDT、中国胶质瘤基因组图谱（CGGA-693、CGGA-325）和癌症基因组图谱（TCGA）等公共数据库中，对铁下垂相关基因（FRG）在预测脑胶质瘤患者预后和免疫治疗中的作用进行全面评估。我们得出结论，基于FRGs的风险评分对胶质瘤患者的生存和免疫治疗具有良好的预测价值。

Reference: