Nature系列综述 | 肿瘤中CD8+T细胞的分化与功能失调

撰文、编译 | 雪月

责编 | 兮

尽管T细胞疗法证明CD8+T细胞具有介导抗肿瘤反应的潜力，在肿瘤内也能够检测到特异性针对肿瘤细胞的CD8+T细胞。但是免疫疗法无法对大多数肿瘤患者长期有效。

近日，来自Vanderbilt-Ingram癌症中心的Mary Philip和纪念斯隆-凯特琳癌症中心的Andrea Schietinger合作在Nature Reviews Immunology上发表题为CD8+ T cell differentiation and dysfunction in cancer的综述。本综述总结回顾了CD8+T细胞在肿瘤中的分化与功能障碍。

CD8+T细胞可以选择性杀死肿瘤细胞。肿瘤相关抗原包括肿瘤因突变等原因产生的特异性新抗原和自身抗原。CD8+T细胞可以识别这些抗原，诱导抗肿瘤反应。但是尽管如此，生长的肿瘤和T细胞可以共存，这样的共存也发生在高免疫原性的肿瘤中。这一现象被称为“Hellstrom paradox”。这也表明肿瘤反应性CD8+T细胞抗肿瘤反应出现功能障碍。

目前对CD8+T细胞的功能障碍的研究大多来自于分离的肿瘤浸润T细胞，这些细胞会对肿瘤抗原产生反应性，但是会表达多种抑制性受体，如PD-1 LAG3 TIM3 CTLA4，不能产生效应细胞因子与细胞毒性分子如颗粒酶和穿孔素。有多种术语可以描述T细胞功能失调，包括“无能”“耐受”“耗竭”T细胞，表示细胞处于低反应性状态。但是肿瘤相关CD8+T细胞的功能失调与上述描述有相似也有重要的区别。本文总结了在肿瘤反应性CD8+T细胞分化过程中，决定功能障碍和异质性的关键转录因子以及对免疫疗法抵抗性的潜在机制。

CD8+T细胞低反应性状态

CD8+T细胞的分化是一个被严格调控的过程。抗原性质、持续时间等决定CD8+T细胞分化轨迹，导致T细胞状态变化，从功能性效应T细胞（急性感染、自身免疫或移植物抗宿主反应）到低反应性T细胞状态（肿瘤、慢性感染以及耐受）。不同的转录特征和表观遗传决定了CD8+T细胞功能状态。

Tolerance 耐受状态：耐受是指T细胞对自身抗原反应迟钝，防止自身免疫，通过中枢耐受和外周耐受产生。幼稚T细胞在遇到自身抗原时不能完全激活，会导致细胞凋亡。外周T细胞遇到自身抗原则不会产生效应细胞因子或增殖。在过去的几十年间，肿瘤抗原一直是抗肿瘤免疫的主要靶点。与自身T细胞相比，肿瘤抗原特异性T细胞不受中枢和外周耐受机制的控制，理论上来讲抗肿瘤反应更加显著。在肿瘤早期发展阶段，组织处于非炎症环境，T细胞状态类似于外周耐受状态。而进展中的肿瘤内的T细胞显示出的特征与肿瘤抗原特异性T细胞功能障碍相似。在免疫治疗干预或者临床治疗时，是自身T细胞还是肿瘤抗原特异性T细胞主导了对于治疗的反应性还未知。

Exhaustion耗竭一词最初用于描述在慢性低反应性中T细胞的状态。在慢性感染期间，T细胞受到抗原的长期刺激，导致细胞的效应逐渐丧失，多种抑制性受体表达上调。肿瘤进展期或者晚期，T细胞与肿瘤抗原持续接触，反应性变得迟钝，与慢性感染中的T细胞有多种关键特征类似。因此耗竭已经用来描述肿瘤中T细胞功能障碍。

肿瘤诱导的CD8+T细胞功能障碍

肿瘤诱导的CD8+T细胞功能障碍是由免疫抑制性肿瘤微环境导致的，包括髓系来源的抑制性细胞、肿瘤相关巨噬细胞以及调节性T细胞，还包括IL10 TGFb和免疫抑制检查点等。小鼠模型和人肿瘤研究表明致癌途径和肿瘤抑制途径可以塑造固有和适应性免疫细胞的募集、激活以及反应性。肿瘤抗原特异性CD8+T细胞激活不足以及肿瘤中免疫浸润不良是肿瘤重要的免疫逃逸机制，这样的肿瘤被称为“冷肿瘤”。这一过程分为两个阶段。阶段一为初始肿瘤抗原产生与早期功能障碍。在肿瘤发生的早期阶段即癌前病变阶段，细胞突变会产生新抗原。由于发生转化的细胞数量较少，这导致T细胞的激活不充分，细胞分化为低反应性状态。而在急性病原感染时，病原体抗原水平较高，T细胞的激活很充分，与肿瘤组织T细胞形成鲜明对比。阶段二为持续性抗原和TCR刺激与晚期T细胞功能障碍。T细胞的低反应性导致早期恶性病变进展到肿瘤阶段。肿瘤相关的抗原进一步得到积累，抗原异质性进一步增加。抗原-TCR持续刺激T细胞，驱使T细胞进入耗竭状态。肿瘤细胞生长状态不受控制，导致肿瘤进展，T细胞进入晚期功能障碍。晚期功能障碍T细胞与慢性感染中的病原体特异性T细胞有许多相似的表型特征，二者也存在明显差异。

肿瘤中T细胞功能障碍的机制

技术的进步已经让我们能够了解肿瘤中T细胞功能障碍的机制，包括单细胞转录组和表观遗传分析，TCR库、肿瘤免疫分析以及CRISPR的应用等。本文章作者重点关注了T细胞分化和功能障碍的关键转录因子和关键调节分子。

肿瘤发生过程中T细胞分化过程：虽然早期和晚期肿瘤特异性T细胞的细胞毒性能力都会受损，早期功能失调的T细胞可以恢复效应功能，晚期T细胞功能障碍不能恢复。早期和晚期功能障碍T细胞可以通过表面蛋白表达不同来区分。PD-1和LAG3可以表达在早期和晚期功能障碍T细胞上。晚期功能障碍T细胞还会表达其他抑制性受体，如CD38 CD39 CD101和TIM3。早期和晚期功能障碍的T细胞的染色质可及性模式也不同，这些变化在小鼠肿瘤模型和人肿瘤中得到验证，并且研究发现肿瘤免疫检查点治疗或许不能改变细胞的表观遗传模式。

早期T细胞功能障碍的分子机制：为了有效激活CD8+T细胞，TCR和CD28共同激活MAPK JNK PI3K-AKT IKK通路。随后激活多种转录因子，包括NFAT和FOS-JUN二聚体（AP-1）。激活后的NFAT和AP-1共同参与效应靶基因IL2和IFNg的转录。而在没有共刺激分子激活的情况下，导致AP-1活性不足，NFAT则会与抑制性转录因子EGR2 EGR3 IKZF2 IRF4 TOX等以及其他负调节蛋白合作，促进T细胞功能障碍。分析染色质可及性也发现，NFAT在效应性CD8+T细胞和功能失调的肿瘤特异性CD8+T细胞中结合基序位点的开放性明显不同。

晚期T细胞功能障碍分子机制：早期T细胞功能障碍，细胞有少量或者几乎没有效应功能。到了晚期CD8+T细胞功能障碍，与慢性感染期间的CD8+T细胞相似，处于终末分化耗竭T细胞状态。晚期功能障碍T细胞和慢性感染中的CD8+T细胞有一个共同特征是表达TCF1的丧失，TOX高表达。并且研究表明细胞分化过程也与免疫记忆相关。

CD8+T细胞效应功能丧失机制：CD8+T细胞不能消除肿瘤有多种机制涉及其中。这其中包括T细胞外机制，包括肿瘤细胞介导的MHC表达丢失、抗原丢失、抑制性受体表达；肿瘤微环境介导的TGFb IL-10以及调节性T细胞和MDSC。缺乏抗肿瘤反应的T细胞也是由于T细胞内在的细胞毒性功能受损。研究发现细胞毒性分子可以合成，但未从细胞中释放出来。

组织驻留机制：肿瘤中的T细胞具有与组织驻留相关的分子表达模式。组织驻留记忆T细胞的主要特征是S1PR1表达下降，组织驻留标志物CD69 CD49a和CD103表达上升，还包括抑制性受体PD1 TIGIT TIM3和转录因子HOBIT BLIMP1 RUNX3表达上升。肿瘤浸润的驻留T细胞表达有CD103和抑制性受体。研究表明组织中浸润的CD103+CD8+T细胞的丰度与生存率呈正相关。CD103+CD8+T细胞被认为是比CD8+T细胞更准确的预后良好的标志物，并且与接受ICB治疗的黑色素瘤患者的生存率呈正相关。

哪些T细胞会对ICB产生反应？

尽管ICB的治疗能够使患者缓解，但是大多数患者不能够对治疗产生持久反应。所以研究确定ICB反应的预测因子和生物标志物就显得非常重要。在患者群体水平，CD8+T细胞浸润增加是预后良好的表现，但是在个体水平的预测价值较低。而关于突变负荷和抑制性受体配体表达做为预后标志物的研究也是喜忧参半。目前已将重点转向患者的的肿瘤浸润淋巴细胞和循环T细胞的研究。这样既可以确定ICB反应的生物标志物，也可以解决哪些T细胞介导了ICB的反应性。最初的研究发现ICB通过重振功能衰竭的CD8+T细胞发挥作用。但是迄今为止没有证据表明是衰竭T细胞对ICB做出反应。再研究发现患者体内循环淋巴细胞增殖可以更好的预测ICB的反应性。患者外周血T细胞克隆扩增可以预测患者对anti-PDL1的临床反应性。还有研究表明TCF1+ TIL被认为与黑色素瘤对ICB反应良好的标志。单细胞转录组和TCR分析发现ICB治疗患者时，肿瘤中预存的T细胞库并不会扩增，而是耗竭的CD8+T细胞被从肿瘤外募集而来的CD8+T细胞替换，发挥抗肿瘤作用。

为了能够让患者更加持久的对ICB治疗产生反应性，越来越多的目标转向固有免疫系统和促炎反应以提高抗肿瘤的能力。临床试验与科研相互协调，为推动免疫治疗打下基础。几十年来，科研人员与临床工作者的不断努力，已经实现了更多人从肿瘤免疫疗法中获得益处，挽回生命。随着单细胞分析技术和高通量数据分析的不断进步发展，基因组、表观遗传组学、成像技术和细胞疗法的飞速发展，未来会将肿瘤免疫疗法带给更多的肿瘤患者。

https://doi.org/10.1038/s41577-021-00574-3

制版人：十一

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