免疫治疗核心概念：CD8T细胞耗竭

蓝调闲人 2019-10-11

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什么是T细胞耗竭？

与急性感染和疫苗接种后，效应T细胞（Teff）和记忆T细胞（Tmem）细胞的发育不同，在抗原持续刺激的慢性感染和癌症期间，T细胞记忆不能有效地发展，T细胞变得精疲力竭，称之为T细胞耗竭（Tex）。Tex细胞在功能上有别于Teff和Tmem细胞，其特点是效应功能丧失，抑制性受体(IRS)表达增高和持续，表观和转录谱改变，代谢方式不同，不能过渡到Tmem细胞的静息、不依赖抗原的状态。

T细胞衰竭发生在许多其他慢性病毒感染中，包括HIV、丙型肝炎病毒(HCV)、乙型肝炎病毒(HBV)和其他持续感染以及自身免疫性疾病。

耗竭的T细胞从KRLG-1loCD127hi 记忆前体细胞发育而来

T细胞衰竭在癌症免疫功能障碍中起主要作用。肿瘤特异性CD8T细胞在人类癌症(包括但不限于)黑色素瘤、慢性髓系白血病、卵巢癌、非小细胞肺癌、霍奇金淋巴瘤和慢性淋巴细胞白血病中表现出T细胞衰竭和功能障碍的特征。肿瘤浸润淋巴细胞(TILs)主要表现为IRS高表达、效应功能差、转录和表观遗传学差异。

T细胞耗竭的特征

效应功能累进式丧失

严重衰竭的CD8 T细胞最初在慢性持续性感染中被发现，Tex细胞会以一种渐进和分级的方式丧失效应功能。

白细胞介素-2(IL-2)的丢失发生在早期，其次是肿瘤坏死因子(TNF)的产生缺陷。细胞毒性也可以在这一阶段的衰竭。干扰素-γ的稳健生产缺陷发生在较严重的衰竭阶段，并与最终耗尽的T细胞有关。Tex细胞可能保留产生趋化因子的能力，包括MIP-1α，MIP-1β，和RANTES，以及在某些环境下产生IL-10的能力。衰竭的严重程度往往与病原体负荷、CD4T细胞的辅助和/或感染的持续时间有关；因此，可能会出现一系列的衰竭状态，导致不同程度的CD8 T细胞功能障碍。

一般来说，Tex细胞功能的精确模式因疾病而异，与病原体负担、病原体复制的模式和位置、抗原表达以及炎症环境有关。事实上，不同持续存在的慢性人类病毒导致了病毒特异性CD8 T细胞的不同表型。此外，最近的高维流式细胞术研究揭示了大约9种Tex细胞亚型，这些亚型很可能反映了耗尽核心程序的环境调节。这些Tex细胞的指纹图谱不仅可以推断Tex细胞分化状态的特征，而且还可以为针对与疾病相关的Tex细胞亚型提供潜在的免疫治疗机会。

对稳态细胞因子的反应性改变

Tmem细胞的一个关键特性是通过细胞因子IL-7和IL-15以不依赖抗原的方式维持细胞的功能。在急性解决感染或疫苗接种后，培养的Tmem细胞逐渐上调IL-7Rα和IL-2/15Rβ，并获得缓慢、稳定的稳态自我更新能力，这对于长期维持抗原无关的Tmem特性是必不可少的。

在慢性感染过程中，病毒特异性的Tex细胞由于IL-7Rα和IL-2/15Rβ信号通路的缺陷，无法进行IL-7和IL-15介导的内稳态增殖。虽然IL-2/15Rβ信号通路能促进Tex细胞的存活，但Tex细胞中存在IL-7Rα表达和信号缺失和IL-15敏感通路缺陷。相反，Tex细胞是通过持续的抗原信号来维持的，这些抗原信号驱动Tex细胞亚群的持续增殖。末端Tex细胞失去了对额外增殖信号的反应能力，并且对未来的刺激没有反应。

记忆稳态的改变也是人类Tex细胞的一个特征，因为在HIV和HCV感染中，许多Tex细胞在抗病毒治疗或病毒逃逸后会丢失，这意味着一种依赖抗原的生活方式。

持续表达抑制性受体（免疫检查点抑制剂作用基础）

T细胞的一个关键特征是多IRS的增加和持续表达。发现通过阻断PD-1与PD-L1的相互作用可以部分地逆转T细胞耗竭。近些年，越来越多的抑制性受体被发现，见下表：

抑制性受体，在Teff有短暂表达，以确保在其发挥完作用后，功能被抑制，维持免疫稳态避免自身免疫性疾病。在许多慢性感染和癌症中，多个IRS的共同表达是Tex细胞的共同特征。此外，IR共表达的程度和可能特定的模式直接对应于衰竭的严重程度。阻断PD-1信号可使Tex细胞恢复活力，但不完全，同时阻断多个IRS协同T恢复Tex细胞活性，这种联合靶向是目前治疗癌症的主要临床治疗策略。

代谢改变

淋巴细胞的一个主要特征是它们在激活和对周围环境变化的反应中的代谢可塑性。在急性感染期间，CD8 T细胞从线粒体氧化磷酸化从静止状态转化到糖酵解，以满足活化的Teff细胞所需的生物能量需求。

Tex细胞的转录图谱显示参与代谢的基因发生了重大变化，包括柠檬酸周期，表明代谢失调伴随着T细胞衰竭。在体外，PD-1交联减弱PI3K、Akt和mTOR信号，直接影响代谢途径，包括抑制糖酵解。在体内，发育中的Tex细胞表现出代谢紊乱，包括抑制细胞呼吸、降低葡萄糖摄取和线粒体能量失调。

这些发育中的Tex细胞似乎没有代谢储备，也没有获得类似Tmem的呼吸能力的代谢生活方式。这些代谢缺陷包括PGC1α和Foxo 1通路。这些效应的一个潜在联系是，一些IRS，如CTLA-4和PD-1，可能通过一种糖酵解的正调节因子CD28来负调控信号。在人类疾病(如HBV）中，至少观察到了T细胞衰竭过程中的一些代谢变化。此外，代谢失调也会导致肿瘤微环境的衰竭。肿瘤的生长通常由有氧糖酵解支持，有效的Teff细胞使用同样的代谢生活方式。此外，肿瘤本身的免疫抑制代谢副产品可能抑制T细胞功能，肿瘤细胞和免疫细胞之间争夺葡萄糖、其他燃料来源(例如脂肪酸)和氧气可能会促进耗竭。

由于PD-1信号与代谢途径之间的联系，PD-1阻断的影响对Tex细胞的代谢进行了研究。实际上，PD-1阻断再次引发合成代谢，在Tex细胞以mTOR依赖的方式代谢和糖酵解。此外，阻断PD-1信号增强葡萄糖摄取，主要由祖细胞Tex亚群.在此外，阻断PD-1通路导致肿瘤微环境中葡萄糖的增加。这也可能有助于改善TIL功能和肿瘤消退。这些研究结果表明，细胞代谢可能是免疫治疗的一个重要方面目的是逆转T细胞衰竭，事实上，代谢药物，如雷帕霉素和二甲双胍正在调查中。

细胞转录和表观遗传学改变

与Teff和TMEM细胞相比，Tex细胞现在被认为有一个独特的转录程序。基因表达的变化包括编码IRS，转录因子的基因，控制TCR信号通路、共刺激和细胞因子信号以及细胞代谢的基因的显著改变。

Laura M. McLane,C ,ARjats.cls January 17, 2019

T细胞耗竭的相关调节因素

抗原负载和持续性

慢性感染或癌症的一个关键特征是T细胞持续接触抗原，高抗原负载和长时间的抗原暴露都会导致更严重的T细胞衰竭。慢性LCMV和未经治疗的病毒HBV、HCV和HIV等持续感染通常表现为与高抗原刺激相一致的严重衰竭。在慢性感染期间启动的CD8 T细胞如果在感染的第一至三周被过继转移到未感染的小鼠中，就可以恢复并发展为Tmem细胞。然而，长期接触慢性感染会导致不可逆的耗竭。这一时间也符合转录和表观遗传学规划中的拐点，即在慢性感染或肿瘤发展的大约2到3周时，衰竭的分子程序就会建立起来。即使在既定的慢性感染期间，CD8 T细胞的反应也会随着时间的推移而逐渐减弱，特别是当病毒载量很高的时候。

促T细胞衰竭的可溶性介质

促进T细胞耗竭的细胞因子

IL-10
IL-10是一种STAT-3诱导的细胞因子，常与减弱T细胞活化有关.IL-10常诱发慢性感染和癌症，阻断IL-10可预防和/或逆转T细胞耗竭。多种免疫细胞类型，包括树突状细胞(DC)、B细胞、单核细胞、CD8 T细胞和非调节性CD4 T细胞都能产生IL-10。
IL-10的作用可能通过STAT-3直接作用于T细胞，通过APC的调节间接作用于T细胞，或两者兼有。使用中和的IL-10抗体结合治疗疫苗接种可增强CD8和CD4T细胞的应答，减少病毒载量。癌症免疫治疗也在研究类似的方法。
TGF-β
TGF-β通过激活下游SMAD转录,减弱或抑制免疫细胞活化。在急性感染过程中，TGF-β作为效应功能的负调节因子,通过抑制T-bet并导致上调促凋亡因子Bim。在慢性病毒感染期间，TGF-β的表达和/或下游SMAD2激活是Tex细胞的特征。

拮抗T细胞耗竭的细胞因子
IL-2是T细胞存活和活化所必需的关键细胞因子，对感染和肿瘤有较强的免疫应答。用IL-2来重振Tex细胞的治疗效果喜忧参半。与PD-1通路阻断相结合，IL-2在慢性LCMV感染中具有明显的协同作用，为肿瘤免疫治疗提供了一种有吸引力的策略。然而，在持续感染期间，IL-2也能引起抑制性T细胞(Tregs)的扩张；在HIV感染的情况下，IL-2治疗增加了CD4T细胞的数量，但对CD8T细胞和病毒复制的影响不大。然而，增加IL-2对Tex细胞的影响，同时最小化对Tregs的影响的新策略，在调节慢性感染和癌症的衰竭方面具有相当大的价值。
IL-21是另一种与白细胞介素2相似的γ链细胞因子。缺乏IL-21R信号的情况下，CD8T细胞无法控制慢性病毒感染，提示IL-21在维持CD8T细胞应答和/或拮抗衰竭中起一定作用。IL-21主要由滤泡辅助CD4T细胞产生，直接促进BATF的表达，该转录因子参与启动或维持抗病毒CD8Teff功能。在慢性感染期间，IL-21可能维持CD8 T细胞反应，至少部分拮抗衰竭。
有复杂作用的细胞因子

1型IFN
1型IFN（IFN-α/β）是典型的具有双重作用细胞因子。IFN-α/β是关键的促炎性细胞因子,其可通过直接诱导抗病毒活性和激活先天条件抑制病毒复制免疫细胞。
但是在慢性感染和肿瘤中IFN-α/β可以诱导上调IL-10、IDO、PD-L1和T细胞应答的其它阴性调节剂的表达。IFN-b/s也可通过Fas/FasL介导的T细胞死亡促进活化T细胞的消耗。

T细胞耗竭的非细胞因子因素

除了细胞因子外，其他可溶性介质也与T细胞衰竭有关。
前列腺素E2(PGE2)是由花生四烯酸合成的一种脂质，兼具促炎分子和免疫抑制剂的双重作用，可限制免疫应答。PGE 2在体外抑制Teff的存活和功能，在慢性LCMV感染中阻断PGE2与PD-1通路阻断协同作用。在细胞外ATP/ADP水解释放腺苷时，腺苷也可作为免疫调节信号，腺苷可通过A2AR和其他腺苷受体来抑制T细胞功能，并导致耗竭。
干扰素-α/β、IL-10、转化生长因子-β等多种细胞因子和非细胞因子炎症及免疫调节途径成分均可影响T细胞耗竭。其他免疫调节细胞因子如IL-6，TNF，IL-27，IL-35，以及趋化因子如CXCL 9/10和CXCL13也可能在CD8T细胞衰竭中发挥作用，在慢性感染和癌变中具有促进、拮抗或具有更复杂的免疫调节模式的作用，在慢性感染和癌症中将这些分子或它们与之结合的受体作为逆转微环境对T细胞功能和衰竭的影响的潜在策略。

免疫调节细胞

传统的CD4T细胞一定程度上拮抗CD8T细胞衰竭.CD4T细胞的丢失，慢性LCMV感染或者HIV感染导致更严重的细胞衰竭，在慢性LCMV感染的情况下，终身病毒血症和不受控制的感染。
CD4 Treg具有抑制Teff活化和增殖的免疫抑制性质。在急性和早期的慢性感染期间。Treg产生抑制性细胞因子，如IL-10和TGF-β，Treg数量增加HCV感染以及癌症。
其他免疫调节细胞例如已耗尽的APC、髓细胞衍生的抑制细胞、CD8Treg、以及NK细胞可促进T细胞耗竭。

T细胞耗竭的免疫疗法

检查点抑制剂逆转T细胞耗竭
Tex细胞表达抑制性受体，免疫检查点抑制剂阻断这些信号，已经证实其良好的抗肿瘤作用，逆转耗竭的T细胞，恢复肿瘤微环境浸润T细胞（TIL）功能。
已上市及在研的部分免疫检查点抑制剂：

PD1抑制剂：Opdivo（BMS）Keytruda（MSD) Libtayo(Sanofi/Regeneron)特瑞普利（君实）信迪利单抗（信达）替雷利珠（百济）卡瑞利珠（恒瑞）
PD-L1抑制剂：Tecentrip（Roche）Imfinzi（AZD）Bavencio（pfizer/Merck)
CTLA-4抑制剂：Ipilimumab（BMS）多个类似药及双特异性抗体在开发
anti-LAG3：IMP321（Immutep公司),IMP731(GSK-2831781)(Immutep/GSK)，Relatlimab(BMS/小野），LAG525（Imutep/诺华），TSR033（Tesaro），BI754111（BI）
anti-OX40激动型：IBI101(信达）Pogalizumab（Roche）Tavolimab（Astrazeneca）PF-04518600（Pfizer）
anti-Tim3:TSR-022(Tesaro) Sym023(Symphogen A/S )BMG-453(诺华）
anti-TIGIT：MTIG7192A（Genentech）

联合免疫疗法

在慢性感染和癌症的背景下，多个抑制性受体（IRS）在Tex细胞上共同表达，提示多个IRS协同负性调节Tex细胞。在慢性LCMV中，共阻断LAG-3和PD-1通路，表现出T细胞衰竭的强劲和协同逆转，在肿瘤系统和其他感染模型中也有类似的结果。
靶向IRS和共刺激受体，加入细胞因子或细胞因子阻断IR阻断剂，以及检查点阻断与放射、化疗和靶向治疗等更传统的癌症治疗相结合，显示出许多潜在的有益的细胞效应。将PD-1阻断与基于细胞的免疫治疗(如CAR-T细胞)相结合，可以提高逆转T细胞耗竭效应。目前正在进行从CAR-T细胞中基因敲除PD-1的试验，以完全避免该检查点对促进肿瘤微环境的负性调节。

上表为联合免疫疗法临床试验

自身免疫性疾病中的Tex
自身免疫疾病中T细胞显示Tex细胞的转录特征。由自身抗原长期刺激的自身反应T细胞可能表现出衰竭的特征，这一概念符合我们目前对Tex细胞生物学的理解，并强调了Tex细胞不是功能上的惰性的观点。Tex细胞的残余功能对于减缓疾病(在癌症或慢性感染的情况下)或促进病理(在自身免疫方面)可能很重要。这项具有里程碑意义的研究，突出了在自身免疫性疾病背景下研究促进耗竭，抑制免疫，缓解疾病。

参考文献