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【脑肿瘤前沿】脑瘤低氧环境抑制γδ T细胞介导的抗肿瘤免疫

2021-08-27 刘玉娥 施裕丰

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脑部肿瘤具有独特的生理特征,其内部充满了髓系细胞并有血脑屏障,具有和机体其他器官显著不同的免疫环境[1,2]。目前,脑肿瘤逃避免疫抑制的具体机制还不清楚。尽管免疫检查点阻断CD8+T细胞对很多肿瘤都有疗效,但是脑肿瘤几乎没有免疫应答[3]。浸润的CD8+T细胞增加通常预示着更好的预后,但在脑瘤中CD8 T细胞的浸润和病人生存期没有关系[4,5],可能是因为脑瘤中有独特的免疫抑制机制。


肿瘤细胞能够逃逸免疫监视有很多原因,其中肿瘤细胞内氧代谢是影响肿瘤免疫抑制的重要因素。肿瘤细胞的过量呼吸导致微环境低氧,降低抗肿瘤免疫[6,7]。低氧影响多种免疫细胞的功能,比如低氧干扰了自然杀伤细胞(NK细胞)的毒性以及机体招募CD8 T细胞到肿瘤区域的能力[8],低氧肿瘤相关巨噬细胞抑制T细胞应答,促进肿瘤生长和血管新生[9]。尽管低氧是脑瘤的显著特征,但是低氧影响肿瘤免疫的机制尚不清楚,低氧状态下γδ T的功能也有待揭示。在人类脑瘤中,γδ T细胞是执行固有免疫的一类T细胞,占有所有T淋巴细胞的0.5%-5%。γδ T细胞具有细胞毒性,可以浸润到脑瘤区域,在体内体外实验中都发现γδ T细胞可以抵抗脑瘤[10],但是在小鼠模型中,γδ T细胞缺失并不影响脑肿瘤生长。‍


2021年3月22日,来自韩国科学技术院(KAIST)的 Heung Kyu Lee教授团队在《自然·免疫学》杂志发表论文,解析了肿瘤细胞和免疫细胞尤其是γδ T细胞相互作用的重要机制,强调了γδ T细胞在脑肿瘤免疫中的临床重要性。




通过对TCGA和CGGA两个数据库分析发现CD4和CD8 T细胞浸润和脑肿瘤患者的生存期负相关,CGGA数据库显示γδ T细胞浸润和脑肿瘤患者,尤其是低级别的脑瘤患者的生存期正相关。研究人员通过基因敲除系统建立了高级别胶质瘤(HGG)小鼠模型,发现CD4 T细胞浸润增加,而CD8 T细胞和γδ T细胞减少,提示肿瘤微环境抑制了γδ T细胞的浸润


为了研究淋巴细胞对脑癌的影响,研究人员在GL261(小鼠胶质瘤细胞)原位HGG模型中去除了各种类型的淋巴细胞,发现CD8和CD4 T细胞的缺失以及自然杀伤细胞和γδT细胞的缺失均不影响HGG小鼠的总体存活率。这些数据提示在脑肿瘤中淋巴细胞被抑制,丧失了抗肿瘤功能


那么肿瘤浸润的γδ T细胞有哪些功能呢?对原位HGG中肿瘤浸润的淋巴细胞的单细胞测序分析显示肿瘤中γδ T细胞处于低氧状态且Bax(BCL2-Associated X,促凋亡基因)表达量较高。根据CGGA数据库分析,HIF1α的表达会随着肿瘤级别的增加而增强,而γδ T细胞浸润和HIF1α以及BAX的表达负相关,这些数据说明脑肿瘤浸润的γδ T细胞处于低氧状态,且其凋亡信号通路被激活,从而抑制了γδ T细胞的抗肿瘤功能


对不同类型的肿瘤细胞进行耗氧率检测发现脑肿瘤细胞耗氧率最高。使用二甲双胍抑制线粒体复合体I的功能,发现二甲双胍对肿瘤细胞的影响显著高于对淋巴细胞的影响。二甲双胍降低了GL261细胞的耗氧率,不影响其糖酵解。小鼠体内实验发现二甲双胍处理缓解了肿瘤细胞微环境的低氧状态,因此二甲双胍在体内和体外都有抗低氧的功能,二甲双胍处理使肿瘤体积减小,HGG原位瘤小鼠生存期延长,这些数据表明:在脑肿瘤中,二甲双胍通过缓解肿瘤微环境中的低氧状态产生抗肿瘤的功效。因此,缓解脑肿瘤中的低氧状态具有抗肿瘤效果。


那么二甲双胍的抗肿瘤功效是否和T细胞的功能相关呢?通过T细胞缺失的裸鼠实验发现去除T细胞后,二甲双胍的抗肿瘤效果消失。敲除CD4和CD8 T细胞不影响二甲双胍的抗肿瘤效果,而敲除γδ T 和Tcrd严重降低了二甲双胍的抗肿瘤效果,说明γδ T细胞介导了二甲双胍的抗肿瘤效果。二甲双胍处理增强了γδ T细胞的浸润,但对CD4和CD8 T细胞无显著影响。因此二甲双胍通过γδ T细胞发挥抗肿瘤作用,不依赖于传统T细胞


为了调查二甲双胍对γδ T细胞的转录水平的影响,研究人员对二甲双胍处理的小鼠和对照组做了单细胞RNA测序,发现二甲双胍处理的小鼠有一个γδ T细胞亚群的抗肿瘤活性最强。γδ T需要NKG2D受体和T细胞受体(TCR)来产生细胞毒性。二甲双胍处理的肿瘤细胞高表达颗粒酶B(Gzmb)和γ干扰素(IFN-γ),并且缺氧诱导因子-1α(Hif1α)和Bax表达降低。二甲双胍处理抑制了肿瘤细胞呼吸,缓解了肿瘤微环境中的低氧状态,使肿瘤细胞中的HIF1α表达降低、T细胞凋亡减少、γδ T细胞呼吸增强,细胞的整体先天免疫应答增强。因此增强γδ T细胞活性可以减缓脑肿瘤生长


二甲双胍处理使CD27+ CD44int γδ T细胞(即IFN-γ的γδT细胞)数量增加,PD-1表达降低,多种细胞因子共同免疫作用增强,二甲双胍处理的小鼠肿瘤组织中的IFN-γ浓度比对照组中浓度高。二甲双胍介导的氧气增加激活了γδ T抗肿瘤免疫应答。GL261细胞表达NKG2D的配体Rae-1, 二甲双胍处理增强了γδ T细胞中的NKG2D的表达,NKG2D阳性的γδ T细胞可以产生IFN-γ,杀伤肿瘤细胞。因此复氧条件下,二甲双胍处理可以激活γδ T细胞,恢复其免疫杀伤功能


那么肿瘤的低氧环境如何调控γδ T细胞中NKG2D的表达呢?使用线粒体复合体I抑制剂鱼藤酮(Rotenone)处理细胞模拟低氧环境,Rotenone处理降低了γδ T细胞中NKG2D的表达。在线虫中低氧通过cAMP通路激活PKA信号通路,单细胞测序分析发现肿瘤浸润的γδ T细胞PKA表达较高,进一步研究发现低氧在转录水平调节了PKA的表达。使用cAMP的类似物Sp-8-Br-cAMP处理细胞可以抑制γδ T细胞中NKG2D的表达。Rotenone的处理促进了γδ T细胞中PKA亚基的表达,而二甲双胍处理降低了体内PKA的表达。因此 二甲双胍介导的肿瘤微环境中复氧通过cAMP-PKA轴调控γδ T细胞中NKG2D的表达。NKG2D表达升高提高了γδ T细胞的敏感性,使其产生抗肿瘤的细胞因子,对脑肿瘤微环境中的肿瘤细胞具有直接细胞毒性。

(图片引自“风湿中心”http://www.360doc.com/content/21/0417/09/72388143_972734842.shtml)


综上所述,本文揭示了一个低氧介导的免疫细胞抗肿瘤机制,强调了γδ T细胞在肿瘤免疫中的重要作用。脑肿瘤细胞的氧浓度和免疫细胞功能密切相关,γδ T细胞需要NKG2D产生干扰素,而低氧通过激活PKA信号通路抑制γδ T细胞中NKG2D的表达从而抑制γδ T细胞的肿瘤杀伤功能。二甲双胍处理降低了γδ T细胞中PKA亚基的表达,增强了NKG2D的表达从而恢复了γδ T细胞的免疫功能。二甲双胍处理与抑制HIF-1α联合疗法可以提高γδ T的抗肿瘤作用,本文为脑瘤的免疫治疗提供了一种新的临床治疗思路。





参考文献

[1] Thorsson, V. et al. The Immune Landscape of Cancer. Immunity 48, 812-+, doi:10.1016/j.immuni.2018.03.023 (2018).

[2] Arvanitis, C. D., Ferraro, G. B. & Jain, R. K. The blood-brain barrier and blood-tumour barrier in brain tumours and metastases. Nat Rev Cancer 20, 26-41, doi:10.1038/s41568-019-0205-x (2020).

[3] Lim, M., Xia, Y., Bettegowda, C. & Weller, M. Current state of immunotherapy for glioblastoma. Nat Rev Clin Oncol 15, 422-442, doi:10.1038/s41571-018-0003-5 (2018).

[4] Barnes, T. A. & Amir, E. HYPE or HOPE: the prognostic value of infiltrating immune cells in cancer. Br J Cancer 117, 451-460, doi:10.1038/bjc.2017.220 (2017).

[5] Zhai, L. et al. IDO1 in cancer: a Gemini of immune checkpoints. Cell Mol Immunol 15, 447-457, doi:10.1038/cmi.2017.143 (2018).

[6] Rivadeneira, D. B. & Delgoffe, G. M. Antitumor T-cell Reconditioning: Improving Metabolic Fitness for Optimal Cancer Immunotherapy. Clin Cancer Res 24, 2473-2481, doi:10.1158/1078-0432.CCR-17-0894 (2018).

[7] Scharping, N. E. & Delgoffe, G. M. Tumor Microenvironment Metabolism: A New Checkpoint for Anti-Tumor Immunity. Vaccines (Basel) 4, doi:10.3390/vaccines4040046 (2016).

[8] Zheng, X. et al. Mitochondrial fragmentation limits NK cell-based tumor immunosurveillance. Nat Immunol 20, 1656-1667, doi:10.1038/s41590-019-0511-1 (2019).

[9] Henze, A. T. & Mazzone, M. The impact of hypoxia on tumor-associated macrophages. J Clin Invest 126, 3672-3679, doi:10.1172/JCI84427 (2016).

[10] Bryant, N. L. et al. Preclinical evaluation of ex vivo expanded/activated gammadelta T cells for immunotherapy of glioblastoma multiforme. J Neurooncol 101, 179-188, doi:10.1007/s11060-010-0245-2 (2011).‍


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