临床上，超过85%的微卫星稳定型（pMMR/MSS）局部晚期直肠癌（LARC）因新生抗原负荷低、免疫细胞浸润不足，属于典型的免疫治疗“冷肿瘤”，患者难以从单一的免疫检查点抑制剂治疗（ICB）中获益。为突破这一瓶颈，序贯放免联合治疗成为近年来的新兴策略：先通过放疗诱发炎症信号，将“冷肿瘤”转化为免疫激活的“热肿瘤”，再进行ICB治疗以放大抗肿瘤效应。然而，该联合疗法的临床获益在人群中存在显著差异，部分肿瘤在治疗后仍表现出耐药性。为厘清这一疗效异质性背后的深层机制，亟需从单细胞分辨率层面对序贯治疗全周期中肿瘤微环境的动态演变进行深度解析。
近日，北京大学人民医院申占龙团队联合北京大学生物医学前沿创新中心白凡团队，在Cell Discovery发表了题为Longitudinalsingle-cell and TCRrepertoireprofilingcharacterizesclonalentrapment inpMMR/MSSlocallyadvancedrectalcancer的研究论文。团队基于构建的局部进展期直肠癌长程放疗联合免疫治疗临床队列，通过全治疗周期多阶段样本的单细胞转录组与T细胞受体（TCR）测序，深入解析了放免联合治疗过程中肿瘤微环境与外周血的动态协同演变，首次提出直肠癌放免联合治疗响应不佳患者“TCR克隆限制（Clonal Entrapment）”机制，为临床优化策略提供理论基础。
在队列设计上，研究纳入了20例接受序贯长程放疗和抗PD-1免疫治疗的pMMR/MSS LARC患者。研究团队在治疗前（Pre）、放疗后（In）、免疫治疗后（Post）三个关键时间节点采集了肿瘤活检组织，并配对收集了治疗前和免疫治疗后的外周血单核细胞样本。通过对最终合格的85份新鲜样本进行scRNA-seq和scTCR-seq，研究人员高精度地重构了治疗全周期内的细胞动态演变过程。结果显示，放疗显著降低了肿瘤微环境中基质细胞和肿瘤细胞的丰度，并增加了以髓系细胞为主的先天免疫细胞比例，率先激活了局部先天免疫反应；而在随后的免疫治疗阶段，肿瘤微环境进一步向免疫浸润状态转变，T淋巴细胞和浆细胞显著增加，标志着适应性免疫的全面激活，成功促使“冷肿瘤”向“热肿瘤”发生转化。
鉴于髓系细胞是放疗后最先在肿瘤微环境中聚集的先天免疫细胞群，研究团队首先聚焦于此类细胞的功能状态变化。通过对比不同疗效患者的基因表达差异，研究发现树突状细胞（DC）中 HLA-DQA2 基因的基线表达水平与患者的临床获益密切相关。反常识的是，治疗前 DC 细胞中 HLA-DQA2 呈高表达的患者，对放免联合治疗的响应反而不佳。这可能是因为高表达 HLA-DQA2 通常标志着肿瘤微环境在治疗前已处于预存的慢性免疫激活状态，反而限制了放疗诱导新生抗肿瘤免疫反应的潜力，使得患者难以从后续的联合治疗中获得完全缓解。
在追踪CD8+ T细胞的克隆演化时，研究发现不同疗效的患者展现出截然不同的免疫响应模式。在治疗效果欠佳的患者中，免疫治疗后发生大量扩增的TCR克隆，多数来源于治疗前就已存在于肿瘤内部的“遗留”克隆。这些克隆在既往长期的局部慢性炎症环境下已经发生过部分扩增，其后续的抗肿瘤效能有限。相反，在治疗效果良好的患者中，肿瘤微环境在治疗后迎来了大量源自外周血的新型肿瘤反应性TCR克隆的浸润，这些新招募的外周克隆展现出了更强大的效应功能。基于此，团队首次提出“TCR克隆限制”机制，即放疗未能有效招募新型TCR克隆，导致免疫反应仍局限于原本预存的肿瘤T细胞克隆，这可能是制约放免联合治疗效果的关键因素。
在探索肿瘤细胞自身的耐药机制时，研究揭示了生长分化因子15（GDF15）的关键阻碍作用。分析表明，在经历放疗和免疫治疗后依然存留的耐药肿瘤细胞中，GDF15的表达出现了显著的上调。机制研究进一步证实，肿瘤细胞来源的GDF15会抑制外周CD8+ T细胞向肿瘤微环境内的招募与浸润。相应的体内小鼠实验也证实，高表达GDF15的肿瘤对放免联合治疗表现出明显的抗性，而敲除GDF15则能有效恢复T细胞的浸润，提升联合治疗的抗肿瘤效果。
综上所述，本研究不仅清晰地阐释了pMMR/MSS型直肠癌患者在放免联合治疗中遭遇免疫瓶颈的内在机制，也为精准筛选治疗获益人群，以及通过靶向抑制GDF15打破免疫屏障、提升临床响应率，提供了具有转化潜力的新思路与新靶点。
北京大学人民医院胃肠外科申占龙教授和北京大学生物医学前沿创新中心白凡教授为论文通讯作者。北京大学生物医学前沿创新中心唐志淳博士、北京大学人民医院胃肠外科朱铭轩博士、北京大学人民医院胃肠外科赵世栋博士、清华大学庞达智为该论文共同第一作者。研究得到了北京协和医院林国乐教授和北京大学肿瘤医院武爱文教授的重要支持。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41421-026-00900-w
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