Deep learning on tertiary lymphoid structures in hematoxylin-eosin predicts cancer prognosis and immunotherapy response

医学 H&E染色 免疫疗法 旁侵犯 免疫组织化学 肿瘤科 癌症 肿瘤浸润淋巴细胞 癌症研究 内科学 病理
作者
Ziqiang Chen,Xiaobing Wang,Zelin Jin,Bosen Li,Dongxian Jiang,Yanqiu Wang,Mengping Jiang,Dandan Zhang,Pei Yuan,Yahui Zhao,Feiyue Feng,Yicheng Lin,Liping Jiang,Chenxi Wang,Weida Meng,Wenjing Ye,Jie Wang,Wenqing Qiu,Houbao Liu,Dan Huang
出处
期刊:npj precision oncology [Nature Portfolio]
卷期号:8 (1) 被引量:17
标识
DOI:10.1038/s41698-024-00579-w
摘要

Abstract Tertiary lymphoid structures (TLSs) have been associated with favorable immunotherapy responses and prognosis in various cancers. Despite their significance, their quantification using multiplex immunohistochemistry (mIHC) staining of T and B lymphocytes remains labor-intensive, limiting its clinical utility. To address this challenge, we curated a dataset from matched mIHC and H&E whole-slide images (WSIs) and developed a deep learning model for automated segmentation of TLSs. The model achieved Dice coefficients of 0.91 on the internal test set and 0.866 on the external validation set, along with intersection over union (IoU) scores of 0.819 and 0.787, respectively. The TLS ratio, defined as the segmented TLS area over the total tissue area, correlated with B lymphocyte levels and the expression of CXCL13 , a chemokine associated with TLS formation, in 6140 patients spanning 16 tumor types from The Cancer Genome Atlas (TCGA). The prognostic models for overall survival indicated that the inclusion of the TLS ratio with TNM staging significantly enhanced the models’ discriminative ability, outperforming the traditional models that solely incorporated TNM staging, in 10 out of 15 TCGA tumor types. Furthermore, when applied to biopsied treatment-naïve tumor samples, higher TLS ratios predicted a positive immunotherapy response across multiple cohorts, including specific therapies for esophageal squamous cell carcinoma, non-small cell lung cancer, and stomach adenocarcinoma. In conclusion, our deep learning-based approach offers an automated and reproducible method for TLS segmentation and quantification, highlighting its potential in predicting immunotherapy response and informing cancer prognosis.
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