血液瘤与实体瘤中T细胞功能障碍的类同及差异，对细胞治疗的提示

小五

2024-05-06 09:43:43

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关键词：免疫治疗

观点 | 血液瘤与实体瘤中T细胞功能障碍的类同及差异，对细胞治疗的提示

原创白露Eileen 细胞知聊 2024-04-22 07:21 辽宁 1人听过

编辑：乱步江南珊珊

T细胞功能障碍在血液恶性肿瘤和实体瘤中普遍存在，并阻碍了免疫治疗方法（比如CAR-T细胞疗法）的成功应用。全面理解T细胞功能障碍有助于提高免疫疗法的疗效。本期公众文精选一篇2021年1月在《Cancers》杂志发布的题为“Hematopoietic versus Solid Cancers and T Cell Dysfunction: Looking for Similarities and Distinctions”的综述旧文，研究者探讨了血液恶性肿瘤（B细胞血液恶性肿瘤）与实体瘤中T细胞功能障碍的相似之处和不同之处，以期提供新的见解。

简介

首先，我们来简单回顾耐受性的知识点，有助于理解T细胞功能障碍。为了预防自身免疫性疾病，对癌细胞的适当免疫反应和对自身抗原的耐受性是必须维持的关键平衡。耐受性是免疫中的生理机制，按时期和位置可分为胸腺（中枢）免疫耐受和外周免疫耐受。中枢免疫耐受过程是T细胞从骨髓迁移到胸腺后，通过负选择消除自身反应性T细胞。这个中枢免疫耐受过程并不完全有效，因此需要外周免疫耐受的补充。外周免疫耐受可以通过T细胞自身内在机制（如无能、凋亡或表型偏移）来调节T细胞状态，或者通过与外部其他类型细胞的相互作用来实现，如调节性T细胞（Tregs）、树突状细胞（DCs）或髓系细胞。

抗癌免疫反应可看作是一个癌症免疫循环过程（图1）。图1和图2展示了T细胞激活和抑制的过程和信号：首先，导致肿瘤发生的遗传异常产生新抗原，可激活肿瘤特异性T细胞。为了激活抗原特异性T细胞以发挥抗癌作用，抗原呈递（信号1）必须伴随着其他信号：共刺激（信号2）和细胞因子（信号3）。只有当三个信号都传递时，T细胞才能被激活，开始增殖并分化为效应细胞和记忆细胞。激活后，共刺激和共抑制受体在细胞表面表达。表达抑制性受体（信号4）的生理作用（也称为检查点）是为了防止自身免疫和控制免疫反应。最后，T细胞迁移到肿瘤部位并渗透到肿瘤组织中；激活的T细胞通过Fas-Fas配体相互作用或通过分泌含有颗粒酶和穿孔素的细胞毒性颗粒来杀死癌细胞。

免疫细胞可被癌细胞通过物理相互作用和具有免疫抑制效应的肿瘤微环境（TME）中的可溶性介质，转化为耐受、惰性和功能障碍状态。在TME中，多种机制会诱导耐受性并限制免疫反应的有效性。抗癌免疫治疗至少有三个干预点：1）促进T细胞致敏启动（prime）；2）加强抗肿瘤T细胞反应；3）对抗TME中的免疫抑制。

对基于T细胞的免疫治疗的耐受机制，与癌细胞最初用来逃避免疫破坏的机制类似。因此，深入理解不同癌种中癌细胞引起的T细胞功能障碍可能是找到更有效治疗策略的关键。发现与恶性肿瘤引起的T细胞功能障碍相关的机制，对于理解治疗预测性预后因素、以及制备能持续存在并有效消除肿瘤细胞的CAR-T细胞至关重要。

功能障碍的T淋巴细胞的特点是恶性肿瘤引起的无能(anergy)、衰老(senescence)和/或耗竭(exhaustion)的特征。无能是由初次致敏启动期间共刺激信号不足引起的；衰老是在广泛增殖后的增长停滞；耗竭的特点是慢性抗原刺激导致的过度激活信号后的抑制信号表达。逆转这些特征是实现免疫重振，获得再次遇到抗原时能够迅速增殖和自我更新的长寿命T细胞的关键，如干细胞样记忆T细胞前体。

实体瘤中主要发生外周免疫耐受，而血液恶性肿瘤在中枢免疫耐受和免疫致敏激活启动的调节中显示出更独特的缺陷。表1总结了实体瘤与血液恶性肿瘤中T细胞功能障碍的相似之处和不同之处。下文将进行更详细的描述。

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表1：实体瘤与血液恶性肿瘤中T细胞功能障碍的相似之处和不同之处。第一列列出了免疫缺陷的相似方面。实体瘤与B细胞恶性肿瘤的独特方面分别总结在各自的列中。

免疫治疗在实体瘤中的应用

在实体瘤中，基于T细胞的免疫治疗的成功仅限于免疫检查点阻断疗法，而采用细胞疗法的效果尚不显著。

免疫原性的丧失是癌细胞对抗免疫反应采取的第一个逃避机制，对CAR-T细胞疗法有明显负面影响。B细胞恶性肿瘤表达单一的B细胞标志物CD19，而实体瘤很少表达一种肿瘤特异性抗原。它们更富含肿瘤相关抗原，如间皮素，黑色素瘤的MUC1和MAGE，乳腺癌的HER2，或者表达新抗原。此外，只有一部分肿瘤细胞可能表达某种抗原，当它被均匀表达时，可能会发生抗原逃逸：有免疫原性的细胞被免疫细胞识别，而这种识别无法发现没有该免疫原性抗原的癌细胞，导致逃过免疫识别的癌细胞获得优势生长。双靶CAR-T细胞被用来尝试解决抗原异质性和抗原丢失的问题。

另一个实体瘤免疫治疗面临的障碍是肿瘤浸润。物理屏障、肿瘤基质和异常的不成熟血管会阻碍肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）和CAR-T细胞浸润TME。“武装”CAR-T细胞，使其表达归巢受体或趋化因子（如细胞因子IL-7和趋化因子CCL19），以引导输注产品到肿瘤部位，可增强CAR-T细胞疗效。

到达肿瘤部位的CAR-T细胞必须面对TME。TME含有基质细胞和抑制性免疫细胞，包括髓系来源的抑制性细胞（MDSCs）、具有M2表型的肿瘤相关巨噬细胞和Tregs。这些细胞和恶性细胞表达T细胞抑制性受体的配体，并分泌影响T细胞致敏启动、存活和功能的可溶性因子。

对于TILs疗法的一个挑战是，由于TILs在肿瘤部位的中受到慢性刺激和它们为了生存而进化的应对机制，TILs已发生功能失调和出现耗竭。TILs可能已经在TME中受到慢性刺激而终末分化，因此难以在体外扩增出足够数量的反应性T细胞。

肿瘤内的T细胞表型不反映外周血中的免疫细胞组成，外周血T细胞没有表现出如此耗竭的表型。一项黑色素瘤研究显示，外周血中CD4+和CD8+T细胞的比例和绝对数量，以及记忆T细胞亚群的频率，与年龄匹配的健康供体相当，而且记忆T细胞亚群没有显示出抑制性受体表达增加。这提示了利用实体瘤患者外周血来制备CAR-T细胞的优势，因为外周淋巴细胞似乎更具备攻击癌细胞的能力。然而，这些外周T细胞可能不表达正确归巢到达肿瘤的受体。

另一个挑战是，在实体恶性肿瘤（包括黑色素瘤、肺癌和乳腺癌）的外周血中发现较高比例的Tregs，这可能会对CAR-T细胞的组分产生负面影响。

血液恶性肿瘤中的免疫治疗

血液恶性肿瘤生长与免疫反应产生的微环境相同，这表明这些血液恶性肿瘤未能触发免疫感应机制，或者在免疫反应发生时抗肿瘤免疫反应就被有效地抑制了。至少在一部分实体瘤中，T细胞致敏启动通常自发发生，然后在肿瘤部位才发生功能损害。血液恶性肿瘤中的T细胞耐受发生在中枢水平上，在T细胞遇到初始抗原时，耐受性抗原呈递细胞就导致致敏启动缺陷。

迄今为止，CAR-T细胞疗法在血液肿瘤中取得巨大成功。然而，CAR-T细胞产品在高级别恶性肿瘤中显示出高疗效，但在低级别血液恶性肿瘤中并非如此。这两类肿瘤的发病机制不同：高级别肿瘤（如B-ALL）生长迅速和具有不成熟前体细胞的特征，而低级别肿瘤（如CLL）表现为成熟B细胞的缓慢生长。这种微妙而持续的生长会引起慢性刺激，这是一种癌症引起的T细胞功能障碍状态，并获得了终末分化表型。由于疾病本身和/或治疗方法，CLL中的T细胞缺陷使CAR-T细胞的体外扩增减少和反应减弱。以前的CLL治疗方法，包括烷化剂和氟达拉滨，对T细胞功能产生了深刻的负面影响，加剧了CLL中的T细胞缺陷。相反，Bruton酪氨酸激酶抑制剂Ibrutinib具备可能改善T细胞免疫功能的潜能，并且可以与CAR-T细胞联用。

血液恶性肿瘤也面临抗原逃逸的挑战。B-ALL和其他B细胞恶性肿瘤能抵御CAR-T细胞的主要原因有CD19抗原逃逸。因此，目前已经探索了其他靶点用于治疗B细胞来源的恶性肿瘤，如（利用也表达在B细胞来源的恶性肿瘤）多发性骨髓瘤（MM）中（常用）的B细胞成熟抗原（BCMA）或B-ALL中（表达）的CD22。同时，具有靶向CD19/CD20或CD19/CD22结构的并联或串联CAR-T细胞也进入了临床试验阶段。

白血病、淋巴瘤或骨髓瘤患者的次级或原发性淋巴器官有显著的固态形态，与实体瘤瘤体类似，可看作具有免疫抑制功能特征的TME。MM归巢于骨髓，跟实体瘤一样，肿瘤部位的T细胞比外周血中的T细胞受到更严重的损害。这些隔室含有免疫细胞，其功能不是消除白血病细胞，而是转向促进癌细胞生存并产生免疫抑制和促肿瘤生长的微环境。在所有血液恶性肿瘤类型中，由于恶性细胞本身可能以不同的方式成为免疫反应的一部分，并且可以改变适应性免疫中其余参与者，所以免疫隔室发生了深刻的变化。因此，可以推测B细胞肿瘤中的肿瘤-宿主相互作用在肿瘤起始和进展中起着特殊作用。此外，像MM或淋巴瘤这样的癌细胞归巢于T细胞发育发生的位置。这些发现表明免疫隔室自血液恶性肿瘤的瘤变发生开始就功能失调，引发了“鸡与蛋”的难题：哪个先来，癌变先发生还是免疫功能先发生障碍？

与实体瘤相比，血液恶性肿瘤在T细胞发育和分化方面表现出更深刻的异常，这也影响了血液隔室。MM患者表现出数量和功能T细胞异常，其CD4+/CD8+比率下降与疾病进展相关。T细胞亚群偏向免疫抑制状态，如Tregs与炎症性辅助T细胞17（Th17）亚群的比例增加。数据表明，获得性T细胞功能障碍源于骨髓瘤细胞与T细胞的特定相互作用，导致针对肿瘤的T细胞免疫受损，但针对外部抗原的T细胞反应大多不受影响。在骨髓瘤患者的血液中存在克隆扩增的T细胞，发生率在50-75%之间。这些克隆在功能上更类似于衰老表型而不是耗竭。MM长期生存者的克隆扩增的T细胞能恢复增殖能力，表明这种衰老样状态是可逆的。此外，这些幸存者还显示出正常或降低的Treg/Th17比率。

免疫失调也是CLL早期的突出特征，且随着疾病进展或治疗后，T细胞隔室的改变更加明显。CD4+和CD8+的绝对计数增加，CD8+亚群相对增加幅度更高，这导致CD4+/CD8+比率的降低。有人推测，T细胞计数升高代表存在对CLL的特定免疫反应，但迄今为止CLL特异性T细胞尚未被发现。除了数量变化外，CD8+和CD4+T细胞也表现出功能缺陷，辅助活性显著改变。另一个可能导致免疫抑制的因素是Tregs比例的增加。

关于T细胞功能障碍影响B-ALL发展和CAR-T细胞治疗后复发的研究很少，这些研究主要集中在这种不成熟祖B母细胞的最初发生地——骨髓微环境上。B-ALL与CD8+T细胞缺乏有关，体现在这类患者骨髓中CD8+T细胞的频率显著低于健康人，以及晚期效应CD4+T细胞的积累。这些数据表明，骨髓T细胞的组成受到白血病母细胞影响，引发了晚期分化。与健康人相比，B-ALL患者的外周血也发生Treg亚群的增多。

免疫抑制微环境：物理相互作用

肿瘤特异性T细胞在实体瘤中被致敏启动，但在肿瘤部位功能受损。相比之下，在白血病或淋巴瘤中，T细胞没有被正确激活，而是在遇到抗原时可被激发。有临床研究在测试利用CD40-CD40L相互作用以激活T细胞的策略来治疗CLL的可行性。

共刺激和共抑制是T细胞激活中的另一个过程。癌细胞利用负调节机制，通过表达CTLA-4、PD-1、LAG-3和TIM-3的配体，与T细胞上受体结合来抑制免疫反应。

癌细胞还可破坏癌症免疫循环的最后一步，即T细胞杀灭肿瘤细胞的那一步。在小鼠模型中，对B-ALL细胞利用CRISPR/Cas9技术敲除死亡受体后，由于缺乏促凋亡信号分子BH3相互作用域的死亡激动剂或Fas相关蛋白死亡域，这些细胞能抵抗CD19 CAR-T细胞毒性作用，结果是小鼠肿瘤进展和肿瘤细胞持续存在，这加剧了T细胞功能障碍。在接受CD19 CAR-T细胞治疗B-ALL患者中，治疗前采集的样本中死亡受体通路基因的表达与CAR-T细胞的扩增和持久性以及患者总体生存率相关。

TME中的旁观者细胞（如免疫抑制性M2巨噬细胞、Tregs和MDSCs）可抑制T细胞功能。在实体瘤和血液恶性肿瘤中都发现了Tregs比例的增加。在实体瘤（如乳腺癌和黑色素瘤）和血液恶性肿瘤（如MM和CLL）中，MDSCs通过多种机制在TME中发挥促肿瘤生成作用：诱导免疫抑制细胞，如Tregs或巨噬细胞分化为M2表型，通过下调T细胞的细胞粘附分子来阻断淋巴细胞归巢，表达如PD-L1等检查点。M2巨噬细胞通常表达PD-L1或CTLA-4的配体，为T细胞提供抑制性“信号4”，减弱激活。

免疫抑制微环境：可溶性信号

可溶性炎性细胞因子如TNF-α、TGF-β、IL-10和IL-6已被证明参与癌症的发生和进展，这取决于促炎和抗炎细胞因子的平衡以及它们的相对丰度。除了癌细胞外，免疫细胞，包括M2巨噬细胞、MDSCs和Tregs，以及基质细胞，如成纤维细胞和内皮细胞，也合成这些细胞因子以调节增殖、细胞存活、分化、免疫细胞激活、细胞迁移和死亡。

TNF-α、IL-10和IL-6是著名的诱发T细胞功能障碍的细胞因子，而TGF-β主要与上皮-间质转化、黑色素瘤、乳腺癌和肺癌中的侵袭和转移有关。

IL-10在诱导CLL抗肿瘤免疫抑制中发挥作用，有助于癌症引起的T细胞功能障碍状态。IL-6在MM的发展中发挥作用，其中恶性细胞诱导骨髓基质细胞和细胞毒性克隆T细胞的衰老。在MM微环境中高水平存在的IL-6可防止凋亡。

除了上述细胞因子外，MDSCs和M2巨噬细胞还释放一氧化氮和活性氧，破坏TCR来影响T细胞激活，并最终诱导T淋巴细胞凋亡。MDSCs采用的另一种机制是表达吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO），参与色氨酸代谢成犬尿氨酸，对T细胞产生深刻的免疫抑制作用。

T细胞的适应性与免疫治疗的效力-适者生存

代谢重编程与T细胞的发育、激活、功能、分化和存活密切相关。T细胞激活后，对能量（ATP）及增殖所需的生物合成前体的需求增加，需通过重构细胞代谢来满足。CD28或4-1BB等共刺激分子会使之前静止的T细胞增加其糖酵解能力。TCR参与和共刺激后，PI3K、Akt和mTOR的激活通过转录因子Myc和低氧诱导因子1触发转变为合成代谢。PD-1和CTLA-4等抑制性受体部分作用是减少激活诱导的葡萄糖摄取。

糖酵解是获取能量、生物量和分裂细胞所需前体的关键，对于T细胞产生效应分子如IFN-γ、IL-17和Granzyme B也至关重要。

细胞代谢的重构也是癌细胞的一个特征，它们发生“有氧糖酵解”，或称为Warburg效应。即使在有氧条件下，癌细胞也更倾向将葡萄糖发酵成乳酸而不是氧化代谢。糖酵解对快速增殖的癌细胞有多种好处，可抵消TME和免疫系统施加的选择压力。同时，癌细胞保持高代谢可塑性，以应对肿瘤发展过程中营养和氧气水平的波动。此外，在包括乳腺癌和结肠癌在内的多种肿瘤中，一部分静止的细胞可能维持基于氧化磷酸化的代谢，导致治疗后的耐受和复发，以及免疫逃逸。

在黑色素瘤和肉瘤的小鼠模型显示，在实体瘤中，T细胞代谢功能障碍的机制的根因可能是葡萄糖的代谢竞争，或是具有免疫抑制效应的乳酸，或是前述的色氨酸或犬尿氨酸。

除了黑色素瘤和肉瘤小鼠模型外，在CLL患者中，T细胞在激活时表现出激活缺陷，伴随着无法适当上调葡萄糖摄取和糖酵解代谢的能力。CLL不存在葡萄糖竞争和乳酸的免疫抑制作用，似乎是Warburg规则的一个例外：CLL细胞利用脂肪酸的分解，同时保持高代谢可塑性以对抗TME中选择压力。B-ALL患者的T细胞在刺激后也表现出类似的激活和糖酵解代谢缺陷。这些缺陷并未阻止功能性和高度持久的CAR-T细胞的产生，而在CLL中的疗效仍然非常有限。可以推测，CLL中的T细胞功能障碍因慢性刺激而加剧。在体外模型中显示，持续的抗原刺激导致线粒体功能丧失，这是由于诱导线粒体氧化应激，限制了通过氧化磷酸化产生ATP。其他研究强调了线粒体对T细胞功能的重要性，例如，T细胞耗竭是通过加强下调线粒体动态（裂解和融合）来实现的，这调节了这些细胞器的周转。有趣的是，记忆与效应T细胞的线粒体超微结构也有所不同。后者以点状线粒体为特征，而记忆T细胞则保持了这些细胞器的高度融合网络。

此外，代谢可塑性也调节T细胞的分化和偏移，终末耗竭的效应细胞表现出糖酵解代谢，而记忆亚群的特征是脂肪酸β-氧化。因此，低氧、酸性、营养匮乏的TME对T细胞分化产生了负面影响。例如，TME中的低氧条件抑制了依赖氧气的记忆T细胞的产生。记忆表型的T细胞存活更久，增殖能力更强，促使TILs和CAR-T细胞在肿瘤部位的持久存在。肿瘤部位存在记忆T细胞的患者生存率增加，并且从单采中提取的T细胞的分化状态影响输注CAR T细胞产品的效力和持久性。

鉴于这些发现，研究人员正在努力操控TILs或CAR-T细胞的代谢，以更有效地利用营养，旨在最大限度地提升它们的效能并延长它们的存活，最终提高肿瘤免疫治疗的疗效。

小结

血液恶性肿瘤和实体瘤在中枢耐受和外周耐受方面表现出不同的缺陷：B细胞系恶性肿瘤在致敏启动方面显示出更独特的缺陷，而实体瘤中，适当的免疫反应被启动，而这些反应在肿瘤部位被抑制。

许多临床试验正在测试免疫疗法与其他治疗方法的联合应用，早期使用免疫疗法来治疗早期癌症患者可能会导致治疗效果的提高。同时，对免疫代谢的深入了解及研发相应的对策，可能进一步提高免疫治疗的疗效。

参考文献：

Montironi C, Muñoz-Pinedo C, Eldering E. Hematopoietic versus Solid Cancers and T Cell Dysfunction: Looking for Similarities and Distinctions. Cancers (Basel). 2021 Jan 14;13(2):284. doi: 10.3390/cancers13020284. PMID: 33466674; PMCID: PMC7828769.

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