Nature Reviews Cancer综述:肿瘤的系统性免疫

2021
09/03

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古麻今醉
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免疫疗法为肿瘤的治疗带来了革命性的改变,但癌症作为一种系统性疾病诱导机体的免疫系统发生功能及成分改变,以致不同的肿瘤背景中免疫治疗的疗效仍受限制。免疫受到不同组织间不同细胞的调控作用,因此,肿瘤的免疫不仅仅局限于肿瘤微环境(TME)。抗肿瘤免疫需要外周免疫系统的协助。有研究表明免疫疗法驱动了新的免疫反应,而不是更新了原有的免疫反应。2021年4月美国加利福尼亚大学的研究人员于《Nature Reviews Cancer》杂志发表了一篇名为“Systemic immunity in cancer”的综述,作者对肿瘤免疫进行了系统性概述。

肿瘤是一种系统性疾病,长期的炎症反应是其特征之一。基于不同的生长背景,这种炎症反应或者驱动肿瘤发生,或者促进肿瘤生长,然而在肿瘤进展的过程中,其免疫背景也随之改变。近年来,免疫治疗给癌症的治疗带来了突飞猛进的发展,像抗-CTLA4,抗PD1,抗PDL1已用于多种癌症的治疗。CART疗法在白血病等恶性肿瘤方面也体现出巨大的医疗潜力。但是肿瘤免疫不仅局限于肿瘤微环境,抗肿瘤免疫反应同时依赖于外周的免疫细胞(peripheral immune cells)。因此,作者立足于一个全新的方位来分析肿瘤免疫,对外围的免疫细胞在肿瘤发生发展、诊断、治疗等方面的应用进行了综述。 

肿瘤带来的扰动  

研究发现人类肿瘤及动物模型肿瘤都会引起血液系统的破坏,主要是未成熟中性粒细胞及单核细胞,这些未成熟细胞运输至肿瘤微环境中,进而引起免疫抑制。简而言之,造血干细胞及祖细胞向单核及粒细胞方向分化增殖,形成大量的具有免疫抑制作用的未成熟中性粒细胞(PMN-MDSCs)、单核细胞(M-MDSCs)及巨噬细胞(图1)。一项泛癌研究发现,在多种肿瘤病人的血液中多能干细胞、粒单核祖细胞水平增加。另一项对超过四万病人的荟萃分析发现中性粒细胞比例增加与病人预后差相关。其中主要参与的因子有G-CSF、GM-CSF、IL-17、IL-8、CCL-2、TNF、肿瘤来源的外泌体及IL-1β。大多数的研究集中在未成熟、免疫抑制的髓性细胞,而这些细胞与外围的免疫细胞同时出现(图1)。本文作者对骨髓、脾脏、血液、淋巴结及肿瘤中的所有免疫细胞进行了质谱分析,发现大量的外围免疫细胞的重构。在三组不同的乳腺癌动物模型(AT3,4T1,MMTV-PyMT)中,中性粒细胞、嗜酸性粒细胞及单核细胞的比例增加,与之对应的是,树突状细胞(DCs)、B细胞和T细胞的比例减少(图1)。肿瘤切除或细胞因子疗法改变了肿瘤的免疫环境,表明肿瘤的进展依赖于免疫环境中免疫细胞的重构。树突状细胞协助CD8+、CD4+T细胞的成熟、分化,对抗肿瘤具有重要的意义。研究发现在多种肿瘤患者血液标本中树突状细胞比例明显减少。在胰腺癌及乳腺癌模型中,外周1型常规树突状细胞(cDC1s)比例减少,引起IRF8表达降低,最终使成熟树突状细胞减少。同样地,肿瘤来源的VEGF也抑制树突状细胞的成熟。另外,在胰腺癌动物模型中IL-6增加的树突状细胞的凋亡,也导致了其比例降低。淋巴细胞减少症多见于乳腺癌、淋巴瘤及肉瘤患者。有趣的是,在乳腺癌、肺癌、宫颈癌患者中,循环T细胞受体(TCR)的多样性减少。TCR的多样性与年龄、慢性炎症等相关,因此TCR与肿瘤的相关性仍值得深入研究。

肿瘤中研究最多的T细胞是抑制性CD4+调节性T细胞(Treg),研究发现癌症病人血液中的Treg细胞与肿瘤内的抑制性Treg细胞有相同的表型及TCR,说明肿瘤内的Treg细胞主要来源于胸腺内的Treg细胞,而不是肿瘤诱导幼稚CD4+T细胞成熟(图1)。肿瘤中另一群抑制性的淋巴细胞是B淋巴细胞,主要生成抗炎因子IL-10。与Treg细胞类似,胃癌、肺癌患者外周血中调节性B细胞比例同样减少。在4T1乳腺癌动物模型中CD25+调节性B细胞在脾脏、淋巴结及血液中表达增加。外周血NK细胞的表型也发生了相应的变化,NK细胞激活受体NKp30、NKG2D、DNAM-1及CD16的表达降低,并且杀伤细胞能量减弱。矛盾的是,在IL-2刺激下或与树突状细胞共培养时,胃癌患者的NK细胞产生更多的IFNγ。在非小细胞肺癌中,NK细胞激活受体NCR1、NCR2及NCR3的转录水平降低,并且NCR3的低表达与其配体B7-H6的高表达与患者预后差相关。以上研究显示肿瘤免疫的重建出现在多种肿瘤类型中。这些免疫状态的变化与肿瘤的发生、分期、预后的相关性,仍需进一步地研究。

 
1肿瘤带来的系统性免疫扰乱。  
传统疗法带来的改变  

化疗、放疗及手术等传统治疗改变了肿瘤的免疫环境,充分理解这些免疫变化对于设计肿瘤治疗策略至关重要。肿瘤的放化疗主要针对正在进行分裂的细胞,这种疗法同样也影响免疫系统的重塑,阻碍或者增加治疗疗效。Shaked等人研究发现促炎因子的增加,如IL-6、IL-8、GM-CSF可以促进抑制性髓细胞的扩增,B细胞释放因子阻断抗肿瘤免疫作用。而抑制CSF1R或CCR2可以阻断这种免疫抑制表型。因此选择可以减弱免疫异常的佐剂可能能够增强抗肿瘤免疫效应。放化疗对免疫系统的作用依赖于其所处的环境,因此需要理解在不同的肿瘤中抗肿瘤疗效如何与免疫系统共存。在非小细胞肺癌,长期低剂量放疗使髓细胞扩散,减弱了抗原提呈功能及T细胞的效应。宫颈癌患者的放化疗中也观察到了同样的现象。在非转移性乳腺癌中,阿霉素与环磷酰胺化疗使循环PMN-MDSCs增加,但在转移性乳腺癌中,5氟尿嘧啶、表阿霉素与环磷酰胺或多西他赛化疗显著减少了循环中M-MDSCs的数量。在HER2+的患者中,化疗后循环IL-10及单核细胞增加,减弱了病理完全反应。一项研究发现三阴性乳腺癌患者术前新辅助化疗促使肿瘤微环境招募新的T细胞亚群而非扩增原有T细胞。随着免疫疗法的出现,肿瘤治疗策略倾向于使用能够增强抗肿瘤免疫的细胞毒性药物。

近来的研究为肿瘤切除对免疫系统的影响提供了新的证据。多种肿瘤中已报道肿瘤切除引起远处转移,而一系列促肿瘤发生过程,包括肿瘤细胞进入循环系统、刺激血管生成。本文作者着重阐述手术后抗肿瘤免疫的改变。其他几项研究表明系统的创伤愈合过程诱导髓性免疫细胞的重塑。肿瘤切除或者与此无关的创伤促发愈合程序,使循环中IL-6、G-CSF及CCL-2水平升高,继而导致髓细胞亚群转向免疫抑制状态。研究发现在4T1乳腺癌模型中,尽管肿瘤切除减少了脾脏、血液及肺中的MDSCs,具有免疫抑制作用的PMN-MDSCs在外周组织中可持续作用两周。免疫抑制的髓细胞进而促进肿瘤转移灶的形成。有研究发现是术后肝脏中中性粒细胞捕获增加,促进肿瘤转移。动物模型显示术后肿瘤特异性T细胞及NK细胞显著减少,肿瘤杀伤潜能减弱,促使肿瘤转移发生。在结直肠癌患者中,术后外周NK细胞减少并可持续两月之久。本文作者研究发现原发肿瘤是免疫重塑的主要驱动者,在乳腺癌和结肠癌动物模型中,在术后较长的时间内免疫系统可重新获得正常的功能。在高转移性的4T1模型中,术后出现肺转移灶,并且只维持了很小一部分免疫系统的改变。其他研究也发现小鼠在肿瘤切除后最终恢复了对肿瘤正常攻击的反应。因此手术可能同时对系统性免疫带来坏的或好的影响。传统疗法与免疫适应相结合可能是对抗癌症的强有力武器,充分了解手术后的免疫脆弱期,并探索恢复免疫功能,可能会抑制肿瘤的转移复发。 

免疫疗法的系统性应答  

免疫疗法迅速扩展了我们对抗癌症的工具,与此同时,美国食品与药品监督局已获批七种免疫检查点剂(ICIs)用于19种不同肿瘤的治疗。现广为认知的肿瘤免疫疗法是重塑免疫微环境中细胞毒性效应器,而越来越多的研究集中在抗肿瘤免疫的基本的系统属性上。近来的研究发现ICIs,包括PD1与PDL1的阻断轴,依赖于系统免疫发挥抗肿瘤效应。

完整的外周免疫对免疫疗效至关重要。系统性化疗破坏了外周免疫的完整性,使长时相免疫记忆受损,阻碍了PD1抑制剂的疗效。相对的,局部化疗可以使外周免疫免受破坏,并与PD1抑制剂协同诱导树突状细胞及抗原提呈T细胞的抗肿瘤效应。一群特殊的CD103+树突状细胞将肿瘤抗原转运至外周免疫系统,依赖CCR7从肿瘤转移至引流淋巴结「dLN」(图2)。cDC2细胞群同样可以将肿瘤抗原转运至dLN,并促进CD8+及CD4+T细胞的成熟,但此过程需要肿瘤内Treg细胞的调控。最近的研究表明DCs从肿瘤内转移至dLN并携带抗原至淋巴结内DCs,同时促进肿瘤特异性T细胞的成熟(图2)。新形成的肿瘤特异性T细胞继而从LN转移至肿瘤内,这种循环即为抗免疫治疗的基本过程。现已清楚地认识到抑制PD1-PDL1轴不仅可以阻断肿瘤内部的免疫抑制反应,并且可以诱导外周免疫细胞的抗肿瘤效应。首先,免疫检查点抑制剂(ICIs)的疗效仅在拥有完整PD1及PDL1的宿主内观察到,较少的依赖于肿瘤细胞PDL1的表达。除了肿瘤细胞,大多数表达PDL1的细胞为抗原提呈细胞,包括巨噬细胞和cDCs。在黑色素瘤或卵巢癌患者内,肿瘤内巨噬细胞及cDCs中PDL1的水平与抗PDL1和抗CTLA4的临床效应相关。其他组的研究也发现DCs是PDL1阻断效能的重要调控因素。在MC3小鼠动物模型中靶向清除cDCs内PDL1的表达降低了CD8+T细胞的效应和肿瘤的缩小。

有效的免疫疗法驱动新的免疫反应。抗肿瘤免疫反应最终促使肿瘤微环境中的效应淋巴细胞发挥杀灭肿瘤细胞的效应。然而,有研究表明,肿瘤内的T细胞随着时间推移进入耗竭状态,不能发挥自身效能(图2)。对小鼠及肿瘤患者中CD8+T细胞进行表观遗传分析,发现肿瘤内T细胞经历广泛的染色质重塑,继而细胞失活,同时这些细胞分泌TNF及IFNγ能力降低。这个过程在临床前研究中具有双重性,早期T细胞脱离肿瘤环境后可逆转其重塑过程,但二次表观调控使T细胞失去功能。有研究发现转录因子TOX是T细胞耗竭的重要调控因子。这种肿瘤内T细胞功能失调由肿瘤微环境中刺激因子、TCR激活及检查点信号驱动。近来有研究发现肿瘤内代谢环境的改变使T细胞聚集结构受损的线粒体,产生大量的ROS及细胞膜电位。总之,免疫治疗的疗效依赖于CD8+T细胞,但持续有害的微环境迅速的使T细胞功能失调而不能发挥抗肿瘤作用。

图2. 肿瘤免疫治疗的系统性免疫反应。  
肿瘤中的继发性免疫挑战  

细胞因子水平、细胞组成及激活状态的变化在慢性感染或共感染模型中可以影响细胞的继发性改变。识别肿瘤患者中免疫系统中的功能缺陷,如疫苗或感染仍然具有较大的挑战。与健康个体相比,肿瘤患者在流感疫苗接种后能够产生可检测的抗体。然而,在正在发生的2020SARS-CoV2流行病中,肿瘤患者更容易产生严重的症状及更高的病死率。显然,即使未接受抗肿瘤治疗的感染患者也出现同样的结果。这些现象提示系统性免疫表型及组成的变化使肿瘤微环境之外的免疫反应发生继发性变化。

近来的研究开始剖析肿瘤的免疫状态为什么会使外围的免疫反应减弱,与原发肿瘤无共同抗原的免疫效应如何。通过使用动物模型避免了临床试验的混杂因素。研究发现乳腺癌动物模型在接收外源免疫或者同种异体免疫后,其自身的抗体反应减弱、T细胞增殖减少(图3a)。本文作者同样也发现AT3乳腺癌小鼠接种李斯特菌2天后脾脏抗病毒反应减弱,CD86、CD80和CD83树突状细胞表达降低(图3b)。令人惊奇的是,手术切除肿瘤恢复了对外源免疫的体液和细胞反应。同样也有研究发现肿瘤的免疫抑制状态不仅局限于免疫微环境,先前存在的肿瘤可诱导T细胞表型耗竭,增加共抑制性受体的表达,并损害病原特异性CD8+T细胞的功能和分化。与正常对照组小鼠相比,胰腺癌小鼠接种卵白蛋白(OVA)和CpG后,OVA特异性的CD8+T细胞的增殖及分化功能减弱。这种功能的减弱与树突状细胞的功能失调有关,可通过给予FLT3L和CD40激活树突状细胞来挽救(图3b)。综上,这些研究表明作为免疫反应的固有和获得性免疫,树突状细胞和CD8+T细胞之间的交互作用在肿瘤内并不协调。因此,需要探索新的治疗策略来克服新的CD8+T细胞的反应。 

图3. 肿瘤中的继发性免疫挑战。  
肿瘤的系统性免疫标志物  

在多种不同的病理背景中,血浆或血清标志物的检测已成为常规,因此很多研究致力于探索检测肿瘤治疗预后的标志物。研究发现在接受ICIs治疗的小细胞肺癌患者中,血液中基础值IL-2水平增加、IL-6和TNF水平降低,接受治疗后IL-4水平增加,都与良好的预后相关。而且,有研究证实小细胞肺癌患者血清中炎症因子水平的增加可以提高抗PD1治疗,并改善总体生存率。相反,中性粒细胞趋化因子IL-8水平增加则降低了黑色素瘤及小细胞肺癌患者对免疫治疗的反应性。除了分泌型因子外,有研究探索循环中的淋巴细胞抗原受体是否也提供预后信息。在转移性黑色素瘤和经典霍奇金淋巴瘤患者中,TCR受体的多样性能够预测患者对抗PD1和抗CTLA4的免疫治疗的反应性。

治疗前的外周细胞标志物可能是另一种潜在的改善病人分层的方法。一些常规的全血指标显示与肿瘤预后相关。在多种肿瘤中中性粒细胞与淋巴细胞之比已成为一个阴性预测指标。在黑色素瘤患者中ICI反应性与较高的相对中性粒细胞和相对淋巴细胞数量相关。多项研究已证实循环免疫抑制细胞与对治疗的反应性相关。淋巴瘤患者伴低水平的循环M-MDSCs在接受抗CTLA4治疗后可延长总体生存期。在弥漫性中线胶质瘤患者中,外周血低水平的M-NDSCs也提高了患者对免疫治疗的反应性。也有研究发现一群标记为CD45RA-FOXP3hi的Treg细胞若在小细胞肺癌患者中基础水平较高,患者对化疗的反应性相对较差。另一方面,有研究发现细胞毒性细胞亚群与较好的反应性相关。因此,尽管目前尚未有系统的免疫标志物用于指导患者的治疗,这些新的研究进展仍具有一定的意义。

除了患者基础水平的标志物以外,近来多项研究也发现接受免疫治疗后,肿瘤患者中一些免疫细胞的特征可提示预后良好。一项研究提示早期激活的或增殖中的淋巴细胞与较好的反应性相关。本文作者证实表达低水平PD1和CD127的CD4+T细胞与患者对免疫治疗的反应性相关。也有研究发现CD8+T细胞的增殖与扩增与对ICIs的反应性相关。CD8+T细胞的增殖出现在第一或第二个治疗周期后,且增殖细胞PD1表达增加。基于此,其他研究也发现CD8+T细胞的扩增与患者对ICIs的反应性相关。一项对非小细胞肺癌患者的研究发现,在接受抗PD1治疗后循环Treg细胞增加,增强了患者对免疫治疗的反应性,并且循环中PMN-MDSC比例降低。以上研究提示监测患者的免疫水平可提供患者对免疫治疗的反应性,并增加了改善患者治疗的机会。


“论肿道麻”述评

高通量、高纬度以及单细胞测序等方法的应用使肿瘤免疫微环境的研究取得了长足的进展。大量的研究不再集中于肿瘤自身,而是探索肿瘤免疫微环境或者外周免疫环境对治疗的反应性。对不同肿瘤、病人数量及治疗方法的充分理解不仅需要阐明肿瘤微环境,而且需要探明免疫的宏观改变。无偏倚单细胞测序通过测量转录组学、表观遗传组学及蛋白组学将对不同肿瘤免疫系统及肿瘤治疗的影响发挥重要的整合作用。配对的单细胞测序有利于血液标本中简化标志物的确立,将对临床治疗提供重要的信息。

肿瘤中除了免疫细胞的重塑,大量的研究表明肿瘤负荷的免疫并不是处于静止状态。外周再次抗肿瘤免疫反应的发展对免疫治疗疗效发挥重要的作用。因此,任何肿瘤负荷免疫系统的功能异常将导致次优治疗疗效。本文作者提出未来主要的研究方向应探索肿瘤负荷免疫的新出现的功能特征。探索外周免疫系统中CD8+T细胞、树突状细胞、Treg细胞等功能的改变将对肿瘤治疗提供新的策略。另一项重要的研究是全面评估初治肿瘤患者对新挑战的免疫反应。这些研究或将明确肿瘤免疫功能的不足与全新之处,并提供新的肿瘤免疫治疗方案。综上所述,深入探索外周免疫环境的变化及其对肿瘤的影响将成为肿瘤的治疗的关键所在。 

编译:陈祥元;述评:翁梅琳

审校:张军,缪长虹

参考文献:   Hiam-Galvez, K.J., Allen, B.M. & Spitzer, M.H. Systemic immunity in cancer. Nat Rev Cancer 21, 345–359 (2021). https://doi.org/10.1038/s41568-021-00347-z
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关键词:
细胞,患者,肿瘤,免疫,研究

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