实体肿瘤并不是单独存在的一团癌细胞,而是嵌入于一个由浸润和驻留宿主细胞组成的肿瘤微环境中。肿瘤微环境并不是沉默的旁观者,而且是癌症进展的积极推动者,并且是肿瘤治疗的关键靶点。其中最引人注目的是免疫检查点阻断治疗,它通过恢复肿瘤浸润免疫细胞的抗肿瘤免疫力,在多种晚期癌症中产生了持久甚至治愈的治疗效果。然而,仅有少部分的患者能从中获益。因而需要新的技术和方法来阐明肿瘤与肿瘤微环境相互作用,以发现免疫检查点阻断治疗响应的标记物、新的微环境靶点和药物。在此,以中国发病率和死亡率第一癌症——肺癌为例,通过整合高精度的单细胞测序数据和大规模转录组数据,构建了一个高精度的肺腺癌和肺鳞癌的肿瘤微环境细胞图谱,涵盖了1141个样本的39个细胞类型的丰度。借此,阐明了各细胞类型与肿瘤临床特征、预后的相关性,分析了潜在的免疫治疗靶点和免疫治疗响应的生物标记物,构建了以肿瘤微环境细胞图谱为基础的肿瘤预后模型,最后通过整合系列药理学分析技术形成了一个新的系统药理学方法,明确了苦参靶向肿瘤微环境抑制肺腺癌的作用机制。具体内容包括:一、为了在高精度水平下解析肺癌肿瘤微环境与预后等临床特征以及免疫治疗的相关性,利用一个先进的贝叶斯模型以高精度的单细胞测序数据为先验信息,从1141个肺腺癌和肺鳞癌转录组数据中解析了39个细胞类型的丰度,形成了一个全面的肺癌肿瘤微环境细胞图谱。借此开展了系列分析,包括:1)关联了不同细胞类型与肺癌的临床特征;2)分析了MAGEA3疫苗治疗在非小细胞肺癌中失败的原因以及PD-1/PD-L1通路阻断治疗响应的生物标记细胞。结果表明,构建的肺癌肿瘤微环境图谱不仅能够解释已知的关于肺癌微环境的知识,还发现了系列新的细胞类型与肿瘤发展及治疗的关系。二、构建了一个以肿瘤微环境细胞图谱为基础的肿瘤预后模型（TMERS）,该模型能够准确预测肺腺癌和肺鳞癌的预后,并且证明TMERS独立于经典的肿瘤预后因素（肿瘤分期、年龄、性别、吸烟行为、常见的基因突变）。该项研究表明肿瘤微环境的细胞组成是影响肿瘤预后的重要因素,TMERS可作为一个肺癌预后预测的有效补充。三、最后,整合肺癌肿瘤微环境细胞图谱、系统生物学和药理学方法形成了一个新颖的系统药理学方法来发现增强PD-1/PD-L1阻断治疗的多靶点天然产物。以此明确了苦参中氧化苦参碱促进CD8+T细胞在肿瘤微环境浸润和协同PD-L1抑制剂抗癌的作用。主要内容包括:1)通过ADME参数评估,筛选了苦参潜在的活性成分的;2)预测潜在活性成分的靶点,明确了靶点在抗肿瘤和免疫调节方面的潜在作用;3)基于靶点与肺腺癌的临床特征以及免疫表型关联,明确了氧化苦参碱增加肺腺癌CD8+T细胞浸润的潜在作用;4)动物实验验证氧化苦参碱可以增强肿瘤微环境中CD8+T细胞的浸润协同PD-L1抑制剂抑制小鼠肺腺癌生长的作用。综上所述,本研究通过利用单细胞测序数据来研究肿瘤微环境及其与癌细胞的相互作用,构建了一个高精度的肺癌肿瘤微环境图谱,为指导癌症疫苗治疗和免疫检查点疗法的有效性提供参考,并为预测肺癌预后和治疗药物提供重要资源。