掃碼聯系客服
關于癌癥與免疫相關的生物信息學套路，大家已經耳熟能詳，那么我們接下來先詳細全面具體的總結一下腫瘤組織中的免疫微環境。
腫瘤組織不是單純的只包含腫瘤細胞，它是由各種不同類型的細胞組成的，其中就包含基質細胞，成纖維細胞，還有免疫細胞等，甚至還有與微生物之間的相互作用，這些就構成了腫瘤的微環境。
腫瘤微環境（Tumor microenvironment）是指腫瘤細胞存在的周圍微環境，包括周圍的血管、免疫細胞、成纖維細胞、骨髓源性炎性細胞、各種信號分子和細胞外基質（ECM）。
腫瘤和周圍環境密切相關，不斷進行交互作用，腫瘤可以通過釋放細胞信號分子影響其微環境環境，促進腫瘤的血管生成和誘導免疫耐受，而微環境中的免疫細胞可影響癌細胞增長和發育。腫瘤微環境中常見的免疫細胞特性包含以下三者：
(1)具有細胞毒殺功能的自然殺手細胞、細胞毒性T細胞數量減少；
(2)具有免疫抑制功能的骨髓來源的抑制性細胞(Myeloid-derived suppressor cell, MDSC)及調節T細胞數量增加；
(3)巨噬細胞及嗜中性球分別由具促發炎能力的M1及N1表型，轉變為具抑制免疫反應而能促進腫瘤生長的M2及N2表型；腫瘤微環境有助于腫瘤異質性的形成。
腫瘤微生物微環境的作用機制
許多研究已經觀察到腫瘤內微生物與腫瘤微環境之間的相關性。近年來的研究表明，腫瘤微生物作用于腫瘤微環境有多種機制，包括:
1. 癌細胞和免疫細胞存在細菌多肽；
2. 細菌抗原模仿腫瘤抗原；
3. 微生物誘導免疫原性細胞死亡；
4. 輔助模式識別受體介導的信號通路；
5. 微生物衍生的代謝物；
6. 刺激抑制檢查點。
免疫檢查點抑制劑（ICIs）
檢查點抑制劑（immune checkpoint inhibitors, ICIs）治療是目前最常用的免疫治療方案，已被批準用于黑色素瘤、腎癌、頭頸癌、膀胱癌等多種腫瘤的臨床治療，在肺癌治療中更是取得突破性進展，成為肺癌綜合治療的新支柱。但由于腫瘤的異質性及腫瘤微環境的復雜性，ICIs單藥在非選擇患者中有效率偏低。手術、化療、放療、靶向治療等治療手段可與免疫治療產生協同作用，聯合療法成為目前探索的熱點。
免疫檢查點作為免疫抑制性通路，對于維持自身免疫耐受和調節外周組織免疫反應的持續時間和范圍至關重要。但這些通路可被腫瘤“劫持”并持續激活，抑制抗腫瘤免疫，促進腫瘤的發生。細胞毒性T淋巴細胞相關抗原4（cytotoxic T lymphocyte associated antigen-4, CTLA4）、程序性細胞死亡1（programmed death-1, PD-1）及其配體（PD-L1）是目前應用最為廣泛的免疫檢查點抑制劑靶點，pembrolizumab、nivolumab、atezolizumab、durvalumab和avelumab在內的PD-1/PD-L1抑制劑及CTLA-4抑制劑ipilimumab已被美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration, FDA）批準用于多種腫瘤的臨床治療，但由于腫瘤的異質性及腫瘤微環境的復雜性，免疫檢查點抑制劑治療的總體有效率較低。手術、化療、放療、靶向治療等治療手段可與免疫治療產生協同作用，增強療效，腫瘤聯合治療策略也是腫瘤治療的未來方向。
腫瘤免疫微環境在腫瘤常規治療效應中的作用
由惡變的腫瘤細胞發展成為臨床可見腫瘤的過程，實際上是腫瘤細胞與機體相互作用的過程。在這一過程中，腫瘤細胞必須克服機體免疫系統對其的識別和殺傷，逐步建立起強大的免疫抑制網絡，同時還需要能為其提供充足營養和適合其快速生長的腫瘤微環境。腫瘤生物學家傾向于把腫瘤組織看作一個特殊的器官。在腫瘤組織中，惡性腫瘤細胞除了被脈管系統纏繞外，還被成纖維細胞、免疫細胞、髓源抑制性細胞等腫瘤基質細胞，以及包括各種功能性分子在內的細胞外基質所包圍。腫瘤微環境是動態的，隨著腫瘤的發生、發展以及治療干預而發生變化，同時具有顯著的異質性。
腫瘤治療傳統上著眼于腫瘤細胞本身，在進行腫瘤手術切除、化療、放療以及靶向治療和免疫治療時，都是瞄準快速增殖的惡性腫瘤細胞進行攻擊和殺傷，而對機體內在的抗腫瘤免疫反應在腫瘤治療效應中的作用缺乏認識，同時還忽略了這些治療對機體抗腫瘤免疫反應的影響，尤其是這種影響對于腫瘤治療效應和腫瘤發展、轉歸的意義。近幾年，在腫瘤治療的免疫機制和對腫瘤免疫微環境在腫瘤治療效應中的作用積累了一定的認識和思考，本文將對此進行梳理和總結，希望能為有效提高抗腫瘤的治療效應、發展新的腫瘤治療策略提供有益的思路和參考。
腫瘤免疫抑制微環境的建立
機體的免疫監視機制能夠識別腫瘤細胞，有效地清除或者控制腫瘤細胞的生長，維持機體長期處于無瘤狀態，但是，還是有相當數量免疫系統健康的個體發生了惡性生長的腫瘤。大量研究發現，腫瘤細胞在與機體免疫系統相互作用過程中，除了通過不斷發生突變，產生新的腫瘤細胞變種來逃避機體免疫的攻擊外，還會獲得對免疫監視的抗性，甚至是 對機體抗腫瘤免疫反應的抑制能力，從而不受限制 地快速擴增，以至最終發生臨床可見的腫瘤。大量 臨床證據顯示: 臨床腫瘤組織處于免疫抑制環境，浸潤的免疫效應細胞表現為不同程度的免疫功能低 下，甚至是嚴重缺陷。大量研究結果表明，腫瘤細胞 幾乎可以利用免疫系統自身的所有負調控機制，建立起腫瘤微環境的免疫抑制網絡。概括起來主要包括以下幾種途徑:
1. 下調免疫細胞對腫瘤細 胞的識別能力。腫瘤細胞下調腫瘤抗原和MHC I類分子的表達，缺失抗原提呈途徑組成成分( TAP1、LMP2和LMP7) 的表達，從而降低CTL對腫瘤細胞 的識別; 脫落 NKG2D 配體在腫瘤細胞表面的表達，減少和阻斷 NK 細胞對腫瘤細胞的識別和攻擊。
2. 高表達免疫抑制分子。高表達抑制性共刺激分子B7-H1( PD-L1) 等，與T細胞上的抑制性受體結合，抑制T細胞的反應和功能，導致T細胞耐受或功能衰竭; 還有一些腫瘤細胞表面 Fas 表達水平低下，卻高表達FasL，并與免疫細胞表面的 Fas 結合，激活免疫細胞的凋亡信號途徑，從而損傷機體的抗腫瘤免疫效應。
3. 分泌多種免疫抑制分子，如分泌 TGF-β、IL-10、IDO、VEGF，通過直接或間接的方 式，抑制腫瘤抗原提呈，以及T細胞的活化、增殖、分化和效應功能; 表達可溶性 TNF 結合蛋白，阻斷TNF對腫瘤細胞的殺傷作用。
4. 誘導免疫抑制細胞分化、增殖以及向腫瘤部位聚集，主要包括調節性T細胞( regulatory T cell，Treg) 、MDSC 以及 M2 型腫瘤相關巨噬細胞 ( tumor associated macrophage，TAM) 等。已知 Treg 通過多種直接或間接的機制抑制T細胞的反應和功能，對維持機體免疫穩態( homeostasis) 具有非常重要的作用，刪除小鼠體內Treg會引起自身免疫病。針對各種腫瘤的大量研究 顯示，腫瘤患者的外周血、腫瘤組織以及引流淋巴結中 Treg 細胞的數量和比例均有不同程度上升，以腫瘤組織最為顯著，而且Treg數量和功能與腫瘤患者的病程和預后相關。在正常人，MDSC 只占外 周血單個核細胞的1% ，而在腫瘤患者體內則增加 4 ～ 10倍，隨著腫瘤的發展會大量聚集在腫瘤部位。MDSC 既可抑制NK細胞和NKT細胞的細胞毒作用，也可抑制CD4 + 和CD8 + T細胞的反應和功能。TAM是腫瘤組織浸潤炎癥細胞的主要成分，主要表型為M2型，具有促進腫瘤生長、轉移、血管生成和免疫抑制的作用。
研究人員比較關注的是免疫細胞在這微環境中的作用。免疫細胞又包括很多種，如 B 細胞，T 細胞等。不同的免疫細胞在腫瘤發生過程中發揮不同的作用，而不同腫瘤的免疫細胞組成也各有特點。是癌癥研究中的一個熱門方向，
細胞殺傷T細胞通常可以識別癌細胞或被病原體感染的細胞，正因如此，研究人員才能夠活到成年。但是，整日召喚過度活躍的免疫細胞到腫瘤細胞或是感染部位，就會導致細胞衰竭疲憊，以至于它們無法再被分配到“入侵者”身邊。
幸運的是，癌癥專家們已經在研發有效的免疫治療手段，來對抗免疫細胞衰竭，使免疫細胞重新激發活性消滅病人腫瘤。
那么什么是T細胞衰竭呢？
由于長期暴露于持續性抗原或慢性炎癥，疲憊的T細胞逐漸失去效應功能，記憶T細胞特征也開始缺失。不過這種耗竭是可以逆轉的，至少部分逆轉，主要是通過阻止PD-1之類的抑制性通路。
T 細胞耗竭概念急性感染和疫苗接種后，初始T細胞被抗原、共刺激和炎癥激活，以指數方式增殖向效應 T 細胞（effector T cell）和記憶 T 細胞（memory T cell）分化。慢性感染和癌癥病人，由于長期暴露于持續性抗原和炎癥，T 細胞受到持續刺激，精疲力竭的 T 細胞逐漸失去效應功能，記憶T細胞特征也開始缺失，稱為 T 細胞耗竭（T Cell Exhaustion）。耗竭 T 細胞在功能上有別于效應 T 細胞和記憶 T 細胞，其特點是效應功能喪失，抑制性受體（IRS）表達增高且持續，表觀遺傳和轉錄譜改變，代謝方式改變。T 細胞衰竭是癌癥病人免疫功能障礙主要因素之一。
1. T 細胞耗竭特征：
效應功能累進式喪失
細胞因子產生缺陷，早期：IL-2和TNF產生缺陷。衰竭期：IFN-γ產生缺陷。可能保留產生趨化因子的能力，包括MIP-1α，MIP-1β，和RANTES等。一般來說，耗竭 T 細胞效應功能喪失因疾病而異，與病原體負荷、病原體復制模式和位置、抗原表達以及炎癥環境等有關。
對穩態細胞因子的反應性改變
記憶 T 細胞的一個關鍵特性：通過細胞因子IL-7和IL-15，以不依賴抗原的方式，維持細胞的功能及穩態自我更新。
在慢性感染過程中，病毒特異性的耗竭 T 細胞，由于IL-7Rα和IL-2/15Rβ信號通路的缺陷，無法通過IL-7和IL-15介導穩態自我更新。
耗竭 T 細胞增殖是通過持續的抗原信號來維持的。但耗竭 T 細胞會失去對額外增殖信號的反應能力，并且對未來的相同抗原刺激沒有反應，導致記憶穩態的喪失，也是人類耗竭 T 細胞的一個特征。
持續表達抑制性受體
耗竭 T 細胞的一個關鍵特征是多IRS的增加和持續表達。免疫檢查點抑制劑可以部分地逆轉 T 細胞耗竭。
近些年，越來越多的抑制性受體被發現，見下表：
抑制性受體，在效應T細胞中有短暫表達，以確保在其發揮完作用后，功能被抑制，維持免疫穩態，避免自身免疫性疾病。
在許多慢性感染和癌癥中，多個IRS的共同表達是耗竭 T 細胞的共同特征，因而聯合靶向是目前治療癌癥的主要臨床治療策略。
代謝改變
代謝可塑性是淋巴細胞的一個主要特征，隨激活和環境而變化。急性感染期間，CD8+T 細胞線粒體氧化磷酸化從靜止狀態轉化到糖酵解，以滿足活化的效應 T 細胞所需的能量。
耗竭 T 細胞的轉錄圖譜顯示代謝失調。在體外，PD-1交聯減弱PI3K、Akt和mTOR信號，直接影響代謝途徑，包括抑制糖酵解。在體內，發育中的耗竭 T 細胞表現出代謝紊亂，包括抑制細胞呼吸、降低葡萄糖攝取和線粒體能量失調。
PD-1阻斷可以恢復合成代謝，增強葡萄糖攝取，導致腫瘤微環境中葡萄糖的增加。
細胞轉錄和表觀遺傳學改變
與效應T細胞和記憶T細胞相比，耗竭 T 細胞現在被認為有一個獨特的轉錄程序。基因表達的變化包括編碼IRS，轉錄因子，控制TCR信號通路、共刺激和細胞因子信號以及細胞代謝。
2. T 細胞耗竭的相關調節因素
慢性感染或癌癥的一個關鍵特征是 T 細胞持續接觸抗原，高抗原負載和長時間的抗原暴露都會導致更嚴重的 T 細胞衰竭。
促T細胞衰竭的可溶性介質 促進T細胞耗竭的細胞因子IL-10I。L-10是一種STAT3誘導的細胞因子，常與減弱T細胞活化有關。阻斷IL-10可預防和/或逆轉 T 細胞耗竭。多種免疫細胞類型，包括樹突狀細胞、B細胞、單核細胞、CD8+T 細胞和非調節性CD4+T 細胞都能產生IL-10。IL-10的作用可能通過STAT3直接作用于 T 細胞，通過APC的調節間接作用于T細胞，或兩者兼有。使用IL-10中和抗體結合治療疫苗，可增強CD8+T
和CD4+T 細胞的應答，減少病毒載量。癌癥免疫治療領域，也在研究類似的方法
TGF-β
TGF-β通過激活下游SMAD轉錄,減弱或抑制免疫細胞活化。在急性感染過程中，TGF-β作為效應功能的負調節因子,通過抑制T-bet上調促凋亡因子Bim。在慢性病毒感染期間，TGF-β的表達和/或下游SMAD2激活是Tex細胞的特征。
IL-2
IL-2是 T 細胞存活和活化所必需的關鍵細胞因子，增強感染和腫瘤免疫應答。用IL-2來重振耗竭 T 細胞的治療效果喜憂參半。與PD-1通路阻斷相結合，IL-2在慢性LCMV感染中具有明顯的協同作用，為腫瘤免疫治療提供了一種有吸引力的策略。
然而，在持續感染期間，IL-2也能引起抑制性T細胞（Tregs）的擴張；在HIV感染的情況下，IL-2治療增加了CD4+T 細胞的數量，但對CD8T細胞和病毒復制的影響不大。然而，增加IL-2對耗竭 T 細胞的影響，同時最小化對Tregs的影響的新策略，在調節慢性感染和癌癥的衰竭方面具有相當大的價值。
IL-21
IL-21是另一種與IL-2相似的γ鏈細胞因子。缺乏IL-21R信號的情況下，CD8+T 細胞無法控制慢性病毒感染，提示IL-21在維持CD8+T 細胞應答和/或拮抗衰竭中起一定作用。
IL-21主要由濾泡輔助CD4+T 細胞產生，直接促進BATF的表達，該轉錄因子參與啟動或維持抗病毒CD8+T細胞功能。在慢性感染期間，IL-21可能維持CD8+T 細胞反應，至少部分拮抗衰竭。
有復雜作用的細胞因子1型IFN1型
IFN（IFN-α/β）是典型的具有雙重作用細胞因子。IFN-α/β是關鍵的促炎性細胞因子，其可通過直接誘導抗病毒活性和激活先天免疫。但是在慢性感染和腫瘤中IFN-α/β可以誘導上調IL-10、IDO、PD-L1和 T 細胞應答的其它陰性調節因子表達。IFN-b/s也可通過Fas/FasL介導的 T 細胞死亡，促進活化 T 細胞的消耗。
T細胞耗竭的非細胞因子因素
除了細胞因子外，其他可溶性介質也與 T 細胞衰竭有關。
前列腺素E2（PGE-2）是由花生四烯酸合成的一種脂質，兼具促炎分子和免疫抑制劑的雙重作用，可限制免疫應答。
PGE-2在體外抑制效應 T 細胞的存活和功能，在慢性LCMV感染中阻斷PGE-2與PD-1通路阻斷協同作用。在細胞外ATP/ADP水解釋放腺苷時，腺苷也可作為免疫調節信號，腺苷可通過A2AR和其他腺苷受體來抑制 T 細胞功能，并導致耗竭。
免疫調節細胞
傳統的CD4+T細胞一定程度上拮抗CD8+T細胞衰竭。CD4+T細胞的丟失，慢性LCMV感染或者HIV感染導致更嚴重的細胞衰竭，在慢性LCMV感染的情況下，出現終身病毒血癥和不受控制的感染。CD4+Treg具有抑制效應 T 細胞活化和增殖的免疫抑制性質。在急性和早期的慢性感染期間。Treg產生抑制性細胞因子，如IL-10和TGF-β，Treg數量增加HCV感染以及癌癥進展。其他免疫調節細胞例如已耗盡的APC、髓細胞衍生的抑制細胞、CD8+Treg、以及NK細胞可促進 T 細胞耗竭
3. T細胞耗竭的免疫療法
耗竭 T 細胞表達抑制性受體，免疫檢查點抑制劑阻斷這些信號，已經證實其良好的抗腫瘤作用，逆轉耗竭 T 細胞，恢復腫瘤微環境腫瘤浸潤T細胞（TIL）功能。
聯合免疫療法
在慢性感染和癌癥的背景下，多個抑制性受體（IRS）在耗竭 T 細胞上共同表達，提示多個IRS協同負性調節耗竭 T 細胞。
在慢性LCMV中，共阻斷LAG-3和PD-1通路，表現出 T 細胞衰竭的強勁和協同逆轉，在腫瘤系統和其他感染模型中也有類似的結果。
靶向IRS和共刺激受體，加入細胞因子或細胞因子阻斷 IR 阻斷劑，以及檢查點阻斷與放射、化療和靶向治療等更傳統的癌癥治療相結合，顯示出許多潛在的有益的細胞效應。將PD-1阻斷與基于細胞的免疫治療（如CAR-T細胞）相結合，可以提高逆轉T細胞耗竭效應。
自身免疫疾病的耗竭T細胞
自身免疫疾病中 T 細胞顯示耗竭 T 細胞的轉錄特征。由自身抗原長期刺激的自身反應T細胞可能表現出衰竭的特征。針對耗竭 T 細胞的進一步研究，可能對于自身免疫性疾病的治療，帶來新的策略。
PD-1是CD28超家族成員的免疫抑制分子。PD-1主要表達于激活的CD4+T細胞、CD8+T細胞、自然殺傷T細胞、B細胞和活化的單核細胞，由T細胞受體或B細胞受體信號通路誘導，并在腫瘤壞死因子刺激下增強。其主要配體為PD-L1、PD-L2。其中，PD-L1廣泛表達于T細胞、B細胞、樹突狀細胞、巨噬細胞等多個組織中，可在促炎性細胞因子激活下進一步上調。在機體正常情況下，PD-1/PD-L1通路發揮著重要的免疫調節作用。當腫瘤細胞上高表達的PD-L1與T細胞上的受體PD-1結合時，可傳遞負性調控信號，誘導T細胞凋亡或導致免疫無能，使腫瘤細胞得以逃避機體的免疫監控和殺傷。同時，PD-1/PD-L1通路激活還可改變T細胞分化，使效應T細胞（effector T cell, Teff）及記憶T細胞（memory T cells, Tm）分化受損，調節性T淋巴細胞（Regulatory T cells, Treg）和衰竭T細胞（exhaustion T cells, Tex）分化上調，從而顯著地抑制T細胞免疫效應。當PD-1與PD-L1結合被阻斷時，負性調控信號亦被阻斷，T細胞可恢復其活性，重新獲得殺傷腫瘤細胞的能力。
PD-1/PD-L1免疫檢查點抑制劑不同于傳統腫瘤治療手段，而是利用機體自身的免疫系統發揮殺傷腫瘤的作用。目前已在多種實體腫瘤和血液系統惡性疾病中彰顯出卓越的療效，其最大優勢是產生持久應答、帶來長期生存。在肺癌領域中，針對PD1/PD-L1靶點的藥物主要有5種，包括抗PD-1單抗（Nivolumab、Pembrolizumab）、抗PD-L1單抗（Atezolizumab、Durvalumab、Avelumab）。隨著對腫瘤免疫機制的認識不斷深入，PD-1/PD-L1抑制劑在挑戰與機遇中砥礪前行，多種免疫藥物的問世及大型臨床研究數據的更新為肺癌的精準化治療帶來更多的選擇和希望。
4. PD-1/PD-L1免疫檢查點抑制劑在晚期NSCLC中的應用
非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）約占肺癌的80%-85%，大約有30%-40%患者就診時已進入Ⅲ期/Ⅳ期而失去手術機會。因此，在現有的治療方案基礎上進一步提高療效和延長生存期一直是肺癌治療前進的方向。
參考文獻：
1. Chen DS, Mellman I. Oncology Meets Immunology: The Cancer-Immunity Cycle. Immunity (2013) 39(1):1–10. doi: 10.1016/j.immuni.2013.07.012
2. Wherry EJ, Kurachi M. Molecular and cellular insights into T cell exhaustion. Nat Rev Immunol (2015) 15(8):486–99. doi: 10.1038/nri3862
3. Sharma P, Wagner K, Wolchok JD, Allison JP. Novel cancer immunotherapy agents with survival benefit: recent successes and next steps. Nat Rev Cancer (2011) 11(11):805–12. doi: 10.1038/nrc3153
4. Ohaegbulam KC, Assal A, Lazar-Molnar E, Yao Y, Zang X. Human cancer immunotherapy with antibodies to the PD-1 and PD-L1 pathway. Trends Mol Med (2015) 21(1):24–33. doi: 10.1016/j.molmed.2014.10.009
5. Sharma P, Hu-Lieskovan S, Wargo JA, Ribas A. Primary, Adaptive, and Acquired Resistance to Cancer Immunotherapy. Cell (2017) 168(4):707–23. doi: 10.1016/j.cell.2017.01.017
6. Wherry EJ. T cell exhaustion. Nat Immunol (2011) 12(6):8. doi: 10.1038/ni.2035
7. Schietinger A, Greenberg PD. Tolerance and exhaustion: defining mechanisms of T cell dysfunction. Trends Immunol (2014) 35(2):51–60. doi: 10.1016/j.it.2013.10.001
8. Philip M, Schietinger A. Heterogeneity and fate choice: T cell exhaustion in cancer and chronic infections. Curr Opin Immunol (2019) 58:98–103. doi: 10.1016/j.coi.2019.04.014
文章小結：
腫瘤特異性CD8+T細胞暴露于持續的抗原刺激下，導致一種被稱為衰竭的功能失調狀態。盡管T細胞耗竭可以限制免疫反應造成的損傷，但效應因子功能減弱，細胞毒性CD8+T細胞在晚期無法控制腫瘤的進展。該路徑是一個從激活到祖細胞衰竭再到最終衰竭的動態過程，具有不同的特性。隨著增強T細胞功能的免疫治療技術的迅速發展，新的研究正在深入探討T細胞衰竭過程中動態分化的機制，并尋找特異性的生物標志物。此外，盡管免疫檢查點抑制劑(immune checkpoint inhibitors, ICIs)在臨床實踐中取得了巨大的成功，但大多數患者對ICIs的療效仍然有限。前體耗盡的T細胞的擴張和分化解釋了ICIs的成功，而前體T細胞池的耗盡和最終耗盡的T細胞的短暫效應功能解釋了在腫瘤負擔過高的情況下免疫單藥治療的失敗。因此，在減少腫瘤負擔或擴大T細胞祖細胞池的基礎上，迫切需要采用聯合治療策略。
