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肿瘤免疫疗法新契机：如何看待缺氧条件下的T细胞免疫衰

发布时间： 2021-02-03

作者：Katherina

责编：兮

肿瘤和一些慢性传染病感染会诱发T细胞衰竭 (T cell exhaustion)，然而对于此种免疫衰竭的诱因却知之甚少。尽管以前人们认为抗PD-1的免疫疗法可以阻断末端衰竭T细胞的PD-1信号转导，然后高肿瘤浸润性的衰竭性T细胞却对PD-1阻断剂疗法表现出很强的抗性。在缺氧环境中产生细胞代谢压力，缺氧诱导因子HIF-1α 及其负调控因子也会产生免疫抑制作用 【1,2】。然而，是否由于T细胞免疫衰竭诱发细胞代谢改变，还是代谢功能的缺失与代谢压力(metabolic stress)促使T细胞衰竭？

近日，美国匹兹堡大学Greg M. Delgoffe团队在Nature Immunology期刊发表题为”Mitochondrial stress induced by continuous stimulation under hypoxia rapidly drives T cell exhaustion”的研究论文。他们通过建立一种体外系统，模拟持续性抗原刺激T细胞和缺氧如何在T细胞免疫衰竭中发挥作用。他们发现，在缺氧情况下起源于线粒体的代谢压力反而可以加速细胞的终末分化，提高T细胞的活性氧(ROS)水平，造成严重的T细胞功能异常与衰竭。因此，降低T细胞内在的ROS和缓解肿瘤细胞的缺氧环境，便可以有效阻断T细胞免疫衰竭，达到与肿瘤免疫疗法的协同抗癌作用。

研究人员通过给处死之前的B16荷瘤小鼠（B16作为人类黑色素瘤小鼠模型）注射一种低氧示踪剂哌莫硝唑pimonidazole，发现与其他T细胞亚群相比，使用抗哌莫硝唑和抗HIF-1α抗体后，末端衰竭的T细胞经历了极高程度的缺氧过程。缺氧是肿瘤代谢环境的一个主要代谢组成部分，与其他细胞亚群相比，末端衰竭T细胞缺氧程度更高。研究人员在体外建立OT-I T细胞和B16黑色素瘤细胞共培养的模型，采用纯化多克隆CD8+ T细胞和涂有抗CD3/CD28的刺激性磁珠，通过流式细胞术筛选出的CD44+T 细胞来模拟肿瘤浸润性T细胞的激活表型。在IL-2和IL-12存在条件下，通过磁珠刺激这些CD8+T 细胞后分别将细胞置于四种不同的常氧或缺氧环境中（下图）。
仅仅在缺氧环境中，T细胞仍旧保留免疫功能和活性。然而这种缺氧条件下对T细胞的持续刺激会影响T细胞对体内抗原的反应能力，从而限制了其能力的更新，从而表现出肿瘤浸润后T细胞的疲惫性衰竭。通过对B16黑色素瘤的祖细胞衰竭性T细胞和末端衰竭性T细胞的转录物进行基因集富集分析（GSEA)发现，在缺氧状态下持续刺激会产生与终末衰竭相关的转录状态（下图）。

接下来，他们尝试研究是否缓解缺氧状态可以帮助T细胞免疫分化状态改变从而有利于肿瘤的免疫治疗。首先，低剂量的阿西替尼（一种酪氨酸激酶抑制剂）治疗B16荷瘤小鼠可以缓解总肿瘤环境和T细胞的缺氧情况。若同时给予这些B16荷瘤小鼠CTLA-4和PD-1阻断治疗，可以有效看到肿瘤的生长被抑制。而在肿瘤免疫治疗（例如美国FDA已经批准的肾细胞癌免疫疗法）中，VEGF(血管内皮生长因子)拮抗作用可能是使肿瘤浸润性T细胞免于代谢压力的关键因素。

这项研究强调了在设计肿瘤免疫疗法时需要着重考量细胞代谢这一重要因素，并且提出了代谢重组和代谢调控可以被用于改善当下的免疫疗法这一重要理论。

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参考文献

1. Doedens, A. L. et al. Hypoxia-inducible factors enhance the effectorresponses of CD8 T cells to persistent antigen. Nat. Immunol. 14,1173–1182 (2013).

2. Gropper, Y. et al. Culturing CTLs under hypoxic conditions enhancestheir cytolysis and improves their anti-tumor function. Cell Rep. 20,2547–2555 (2017).