Identification of key biomarkers associated with immune modulation in triple-negative breast cancer

Abstract

삼중음성유방암은 매우 이질적이고 공격적인 아형이지만, 면역 조절과 연관된 종양미세환경의 특징 및 분자생물학적 기전은 여전히 불분명하다. 본 연구는 tumor-infiltrating lymphocytes (TILs), programmed cell death 1 ligand 1 (PD-L1), 종양 내 TILs의 침윤 정도를 평가하는 tumor-immune microenvironment (TIME) subtype을 기반으로 삼중음성유방암의 면역관련 종양미세환경을 분석하였다. 또한, GeoMX Digital Spatial Profiler를 활용하여 공간적으로 종양, 면역, 그리고 기질 세포를 구분한 후 전사체 프로파일링을 수행하여 면역 활성화 및 면역 억제 표현형 간의 비교분석을 수행하였다. 높은 TILs, PD-L1 양성, 그리고 종양 세포와 TIL 간의 거리가 가까운 경우 면역 활성화 표현형을 보였다. 이러한 표현형은 basal-like immune-activated subtype으로 분류되는 비율이 높았으며, 이미 잘 알려진 면역 관련 경로의 상향 조절도 관찰되었다. 반면, 면역 억제 표현형은 상피-중배엽 전이, TGF-베타 신호, 혈관신생과 같은 종양 진행과 관련된 경로와 연관되어 있었다. 특히, 종양, 면역, 그리고 기질 세포 중에서 면역 관련 표현형에 따라 관찰된 차등 발현 유전자 수가 종양 세포에서 높았었는데, 이는 종양 세포가 면역 표현형을 형성하는 데 면역 혹은 기질 세포보다 더 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다. TIL 및 PD-L1 상태에 따라 환자를 분류한 결과, TIL+PD-L1+ 아형은 가장 좋은 예후를 보였으며, TIL+PD-L1+ 유전자 시그니처 역시 우수한 생존 결과와 연관되어 있었다. 반대로, TIL-PD-L1- 아형은 종양미세환경의 섬유화 (desmoplastic change)로 인해 "차가운" 종양의 특성을 보였다. 흥미롭게도, TIL+PD-L1- 아형은 높은 TIL 수준에도 불구하고 더 나쁜 예후와 연관되어 있었는데, 이는 T-cell의 낮은 비율과 활성도, 높은 비율의 myeloid cells, 그리고 세 가지 세포 유형 전반에 걸친 adipogenesis 경로의 활성화 때문인 것으로 보인다. 특히, TILs이 종양 내 영역까지 깊게 침투하더라도 PD-L1-이면, 면역 세포의 활성도가 낮은 것으로 나타났다. 이는 높은 TIL을 가진 환자에서 PD-L1이 면역 체계 상태를 반영하는 중요한 마커임을 부각시킨다. 결론적으로, 본 연구의 결과는 삼중음성유방에서 TIL과 PD-L1의 발현을 통합한 바이오마커가 임상적으로 중요할 수 있음을 제시한다. 또한, 종양미세환경에 위치한 여러 세포들 중 종양 세포가 면역 표현형을 결정하는 데 중심적인 역할을 할 것으로 추측된다. 그뿐만 아니라, 삼중음성유방암에서 면역 체계 조절과 관련된 잠재적인 분자생물학적 기전 및 표적 유전자들을 제시하였는데, 이를 기반으로, 삼중음성유방암 환자의 생존율 향상을 위한 표적 치료제의 개발과 관련된 향후 연구가 필요하다.

Triple-negative breast cancer (TNBC) is a highly heterogeneous and aggressive subtype of breast cancer, with the features of tumor microenvironment and the underlying molecular mechanisms of immune-regulation remaining largely elusive. This study aimed to explore the immune landscape of TNBC by assessing tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) level, programmed cell death ligand 1 (PD-L1) expression, and the degree of TIL infiltration within the tumor. Utilizing the GeoMX Digital Spatial Profiler platform, we also performed spatially resolved transcriptomic profiling of tumor, immune, and stromal cells, focusing on the distinctions between immune-activated and immune-suppressed phenotypes. Immune-activated phenotypes, characterized by high TILs, PD-L1 positivity, and close proximity between tumor cells and TILs, were found to correlate with the basal-like immune-activated subtype based on transcriptomic alterations derived solely from tumor cells. These phenotypes were also associated with the upregulation of known immune-related pathways. In contrast, immune-suppressed phenotypes were linked to pathways involved in tumor progression, such as epithelial-mesenchymal transition, TGF-beta signaling, and angiogenesis. Notably, our transcriptomic analysis suggests that tumor cells play a more dominant role than immune cells in shaping the immune phenotype, as indicated by the greater number of differentially expressed genes in tumor cells rather than immune cells. Stratifying patients based on TILs and PD-L1 status revealed that the TIL+PD-L1+ subtype exhibited the most favorable prognosis, a finding further supported by TIL+PD-L1+ signature with excellent survival outcomes in public gene datasets. Conversely, the TIL-PD-L1- subtype displayed characteristics of an "cold" tumor, potentially driven by desmoplastic changes within the tumor microenvironment. Interestingly, the TIL+PD-L1- subtype, despite a high TILs level, was associated with poorer prognosis, likely due to a higher proportion of myeloid cells, decreased activity of immune cells, and increased activation of the adipogenesis pathway across cell types. This finding underscores that in the TIL+PD-L1- subtype, immune cell activity remains low even when TILs infiltrate the intra-tumoral region, highlighting PD-L1 as a critical marker reflecting the immune system status in patients with high TILs. In summary, this study emphasizes the clinical significance of integrating TILs and PD-L1 expression as prognostic biomarkers in TNBC and underscores the central role of tumor cells in dictating immune phenotypes. Furthermore, our findings suggest potential underlying mechanisms and target genes regarding the immune system regulation in TNBC. Based on these insights, future research is warranted to develop targeted therapies, especially for immune-suppressed subtypes, aiming to improve clinical outcomes for patients with TNBC.