【收藏版】免疫治疗与肿瘤免疫的研究进展

今天跟大家分享整理总结的免疫治疗与肿瘤免疫的研究进展，本文就单细胞转录组和空间转录组的研究进展，揭示免疫治疗反应的异质性以及治疗效果的动态变化，旨在重塑免疫治疗影响的免疫系统及肿瘤免疫微环境的调节机制，以提高免疫治疗的有效性。本文内容非常详细，篇幅较长，值得大家耐心看！

1、实体肿瘤免疫治疗的现状；

2、肿瘤微环境(TME)，肿瘤免疫微环境(TIME)和系统性肿瘤免疫环境（STIE）等重要概念理解；

3、系统性肿瘤免疫环境和肿瘤免疫微环境中影响免疫治疗的关键因素；

4、PD-1抑制剂治疗的副作用（超进展性疾病/免疫相关不良反应/细胞因子释放综合征）；

5、癌症治疗（化疗/靶向治疗/放疗等）重塑STIE和TIME；

6、单细胞和空间转录组学在STIE和TIME研究中的应用。

免疫疗法是一种增强患者自身免疫系统以消除癌细胞的癌症治疗方案，截至2022年4月，FDA批准的免疫疗法药物超过70种，涵盖50多种癌症。免疫治疗主要包括肿瘤疫苗治疗、溶瘤病毒治疗、树突状细胞免疫疗法（DC疗法）、过继细胞疗法(ACT)、抗体-药物偶联物（ADC）和免疫检查点抑制剂(ICIs)。其中，利用PD-1和PD-L1的ICIs是迄今为止最主要和最成功的免疫治疗方法。PD-1在TCR信号激活后在T细胞上被诱导，导致T细胞功能受损，并与其配体PD-L1结合后免疫逃逸。PD-1抑制剂免疫治疗阻断肿瘤细胞或抗原提呈细胞表面PD-L1与CD8+T细胞表面PD-1的相互作用。它能重新激活CD8+T细胞的杀瘤能力，从而发挥抗肿瘤作用。

目前在临床上，PD-1抑制剂免疫治疗的使用主要受PD-1/PD-L1表达水平、肿瘤突变负荷(TMB)和肿瘤微卫星不稳定性(MSI)的影响。免疫检查点抑制剂和免疫细胞治疗的肿瘤免疫治疗策略已成为肿瘤学研究的前沿。然而，单独使用PD-1抑制剂的总体泛癌缓解率仅为20%，而联合放射治疗则将缓解率提高到40%。治疗响应率如此之低的根本原因人们知之甚少。

实体瘤是一种高度复杂的组织，它包含高度异质性的癌细胞和由免疫细胞、基质细胞、血管/淋巴管、神经末梢和细胞外基质(ECM)组成的肿瘤微环境(TME)，其中包含各种信号分子，作为免疫调节微环境不断重塑局部免疫。肿瘤免疫微环境(TIME)是由免疫系统的不同细胞组组成的免疫系统及其在TME生态位中的相互作用，已被认为在癌症发生、癌症进展和治疗反应过程中发挥关键作用。TIME可分为浸润性排斥(“冷肿瘤”)和浸润性炎症(“热肿瘤”)，“热肿瘤”表面有更多特异的分子标志物，可以被T细胞识别和攻击，从而触发抗肿瘤免疫反应。

系统性肿瘤免疫环境（STIE）主要由循环的血液和淋巴管控制，由免疫调节分子和免疫细胞组成，在原发肿瘤部位与远处器官和宿主免疫器官(如骨髓和淋巴结)之间的沟通中发挥着至关重要的作用。功能性免疫调节剂包括蛋白质、细胞因子和代谢产物，而免疫细胞包括髓系细胞(中性粒细胞、单核细胞、巨核细胞、血小板、碱性粒细胞、嗜酸性粒细胞)和淋巴系细胞(T细胞、B细胞/浆细胞和NK细胞)。

STIE和TIME之间存在着广泛的相互作用。STIE和TIME密切相关，淋巴管和血管的循环携带着免疫调节因子和免疫功能细胞，是连接TIME和STIE的直接纽带。肿瘤在STIE免疫细胞的帮助下可通过血管或淋巴管侵袭，肿瘤侵入血管或淋巴管后，STIE内的免疫细胞进入TIME，促进肿瘤细胞的转移。

除了通常研究的TIME的细胞组成之外，细胞外基质中的免疫调节分子如TGF-β1，IDO和Artemin也被认为是局部肿瘤中STIE的重要组成部分，在肿瘤的发生发展和癌症免疫中发挥关键作用。

（1）免疫细胞组分对免疫治疗影响

在临床上，STIE细胞成分发生重要变化（如淋巴细胞减少），会影响肺癌、乳腺癌、胰腺癌、黑色素瘤和肉瘤等多种癌症的肿瘤控制和治疗效果。此外，据报道，高水平的淋巴细胞和低的中性粒细胞/淋巴细胞比率(NLR)与肺癌患者更好的生存有关。总之，STIE和TIME细胞组分变化解释了PD-1抑制剂免疫治疗疗效异质性。

（2）STIE中免疫调节因子对免疫治疗的影响

循环免疫调节因子是被作为临床预测治疗结果的生物标志物，即使在同一类型的癌症中，PD-1/PD-L1、TGF-β1和IDO的表达状况也不同。一项研究显示，PD-L1具有78%的肿瘤内异质性和53%的肿瘤间异质性。血浆可溶性PD-L1(Spd-L1)是另一个关键的激发因子，在多种恶性肿瘤中升高，具有临床意义。与血浆SPD-L1水平较低的患者相比，血浆SPD-L1水平较高的患者治疗效果和总生存期(OS)明显较差。总之，血浆Spd-L1水平与肿瘤患者的临床结果相关，并可能作为接受ICI治疗的非小细胞肺癌患者预后预测生物标志物。

（3）STIE中TGF-β1对TIME和PD-1抑制剂免疫治疗的影响

TGF-β1是一种已知的免疫抑制因子，在免疫调节中起着关键作用。TGF-β1在TIME和STIE上具有多重作用。它抑制抗原提呈细胞和免疫效应细胞，如CD8+T细胞，并上调Treg细胞。TGF-β1增强癌细胞的侵袭能力、干细胞样特性和治疗耐药性。随着时间的推移，由癌细胞、间质成纤维细胞和其他细胞产生的TGF-β1通过塑造肿瘤结构和抑制抗肿瘤免疫反应的活性进一步促进癌症进展，从而创造出削弱抗癌免疫治疗效果的免疫抑制微环境。TGF-β1作为肿瘤发生和发展的促进剂，其作用因肿瘤类型、肿瘤发展阶段和背景基因改变而异。在早期肿瘤中，TGF-β1诱导肿瘤细胞的凋亡并抑制其增殖。然而它对晚期癌症又有促癌作用。此外，TGF-β1促进了肿瘤干细胞的增殖并导致了治疗耐药性。总之，TGF-β1可作为免疫抑制的生物标志物。

（4）STIE中IDO对TIME和PD-1抑制剂免疫治疗的影响

IDO是一种著名的免疫抑制免疫检查点分子，催化色氨酸(Trp)分解为犬尿氨酸(Kyn)，其表达在STIE中也是异质性的。研究发现，循环血中较高的IDO活性表明肺癌患者对PD-1抑制剂免疫治疗具有抵抗力，这表明在IDO较高的患者中，PD-1抑制剂免疫治疗与IDO抑制剂联合应用具有潜在的益处。因此，IDO活性的标记物可作为非小细胞肺癌患者治疗结果的预测因子。此外，实验结果表明，过表达的IDO肿瘤对CTLA-4治疗具有耐药性，但对CTLA-4/吲哚莫德(IDO抑制剂)联合治疗没有耐药性。

（5）STIE中Artemin对TIME和PD-1抑制剂免疫治疗的影响

神经鞘胚素（Artemin）是感觉和交感神经元的存活因子,且可在体内影响神经元的功能，是胶质源性神经营养因子(GDNF)家族中的一员。Artemin参与调节肿瘤进展和肿瘤对包括免疫治疗和放射治疗在内的癌症治疗的反应。研究还显示，Artemin通过上调TROIBP和ITGB5的表达来抑制肿瘤细胞的凋亡并促进其迁移。此外。Artemin显著抑制CD8+T细胞对肿瘤细胞的杀伤作用，并降低放疗和PD-L1抑制剂治疗对肿瘤生长的影响。

（6）STIE中肿瘤新抗原对TIME和PD-1抑制剂免疫治疗的影响

STIE还含有肿瘤新抗原（(Neoantigens)），这是一系列多肽，是由癌细胞基因突变产生的特异性抗原,在正常细胞中不表达,可激活CD4+T和CD8+T细胞产生免疫反应,抑制肿瘤生长。在PD-1抑制剂免疫治疗过程中监测新抗原特异性T细胞的变化可能有助于评估PD-1抑制剂免疫治疗的疗效。

（7）TIME对PD-1抑制剂免疫治疗的影响

TIME对PD-1抑制剂免疫治疗效果的影响一直是最近一篇综述的焦点。简而言之，Chen和Mellman[2013]首先提出了肿瘤免疫循环的概念，将肿瘤免疫简化为七个步骤，包括：(1)肿瘤抗原的释放；(2)抗原的呈递；(3)T细胞的启动和激活；(4)T细胞的迁移；(5)T细胞对肿瘤组织的渗透；(6)T细胞对肿瘤细胞的识别；(7)肿瘤细胞的清除。所有上述步骤都是不可或缺的，它们与TIME的各个组成部分相互作用，并与STIE共同勾勒出免疫系统对肿瘤的复杂反应。对免疫治疗的不同反应在很大程度上依赖于“肿瘤免疫循环”的每个过程，该过程也将TIME和STIE之间的相互作用联系在一起。

（8）脑转移与PD-1抑制剂

癌症转移是与癌症死亡率相关的主要问题。脑转移(BRM)是所有癌症的主要问题，一旦患者出现BRM，其预后通常较差，平均生存时间不到6个月。如今，手术、化疗和放射治疗是BRM患者的主要治疗方法。由于上述治疗方法的毒副作用在脑组织中普遍存在，PD-1抑制剂免疫治疗为更有效地治疗BRM患者提供了一种新的途径。对脑转移亚组的荟萃分析发现，PD-1抑制剂免疫治疗在平均生存时间和新的颅内病变发生率方面与化疗相比是有益的。此外，PD-1抑制剂联合化疗和PD-1抑制剂联合放疗都能明显改善了脑转移患者预后。

（9）STIE/TIME肿瘤干细胞对PD-1抑制剂的反应

干细胞(CSC)是肿瘤中一组特殊的细胞，可以维持自我更新，并可以分化为其他肿瘤实质细胞，也可以通过减弱免疫监视来间接促进肿瘤的发展。CSC可以长时间处于休眠状态，具有自我更新能力和可塑性，可以产生异种肿瘤细胞，有助于肿瘤的复发和转移。研究表明，在乳腺癌、结肠癌、头颈部鳞状细胞癌和肺腺癌中，CSC高表达PD-L1，并通过与其同源受体PD-1结合诱导T细胞凋亡。目前，针对Notch、WNT、Hedgehog和Hippo信号通路可以抑制CSC，并且已经进行了一些临床试验。PD-1抑制剂免疫治疗联合CSC靶向治疗提高了抗肿瘤治疗的效果，提示CSC是PD-1抑制剂免疫治疗失败的潜在因素之一。然而，CSC是如何导致PD-1抑制剂免疫治疗失败的，目前仍不清楚。

（1）PD-1抑制剂治疗后超进展性疾病的STIE和TIME

超进展性疾病(HPD)是指免疫治疗后非但没有获益,反而出现肿瘤细胞的加速增殖，疾病进展更快(通常至少两倍)。除了应答率低之外，PD-1抑制剂免疫治疗引起的HPD是免疫治疗的另一个挑战。目前尚不清楚PD-1抑制剂免疫治疗过程中哪些因素与HPD有关。一项研究发现，患有HPD的癌症患者的样本中有更多的肿瘤相关巨噬细胞。可能的机制是检查点抑制剂与巨噬细胞上的Fc受体结合，然后抑制巨噬细胞对M2亚型的极化，从而促进肿瘤生长。癌症基因变异可能也起到重要作用。研究发现，携带EGFR/MDM2/MDM4突变的癌症患者更有可能患上HPD。由于对HPD的担忧，免疫治疗通常仅限于没有基因突变的癌症患者。此外，局部肿瘤环境和循环血液中的免疫细胞和免疫调节因子直接关系到免疫治疗的疗效，也是疾病进展的主要影响因素。总之，如果确定了与HPD相关的特定分子，就可以开发减少PD-1抑制剂免疫治疗相关死亡的发生，以提高潜在反应性患者的存活率。

（2）PD-1抑制剂治疗引发免疫相关不良事件(irAEs)

PD-1抑制剂免疫治疗可引发不良自身免疫反应，被称为免疫相关不良反应(irAEs)，其特征是T细胞在皮肤、结肠、肝脏、肺和内分泌器官等多种器官中的渗透。irAEs显著影响癌症患者的生存时间和生活质量。细胞因子在irAEs中起关键作用，细胞因子释放综合征(CRS)是PD-1抑制剂免疫治疗后的一种致死性炎症反应。CRS患者可能会出现低血压、发热、头痛、恶心和腹泻等临床症状，严重的情况下会出现脑病、低血压、缺氧、肝功能障碍和凝血功能障碍。随着免疫治疗的发展和广泛应用，越来越多接受免疫治疗的肿瘤患者报告有CRS的经历。而且有病例报告显示，PD-1抑制剂联合化疗/靶向治疗/放射治疗的可能会导致更大的CRS风险。

（1）局部放射治疗重塑STIE和TIME

癌症治疗可以引起STIE和TIME的变化，进而对免疫治疗产生后续影响。

放射治疗（RT）是引发免疫反应的最有力的治疗方式之一。局部放射治疗可通过多种生物机制改变TME 和TIME，调节STIE。从肿瘤免疫循环来看，放射治疗至少可以通过以下相应步骤来调节TIME和STIE：

1)杀死肿瘤细胞以产生免疫原性肿瘤新抗原；

2)改变细胞表面分子以促进抗原提呈；

3)调节免疫效应细胞；

4)诱导免疫调节细胞因子的产生，以吸引免疫潜能细胞到肿瘤部位；

5)帮助免疫细胞渗透到肿瘤组织；

6)打开肿瘤干细胞与时间之间的通讯；

7)诱导免疫调节分子的产生，如TGF-β1和IDO。

适当剂量的局部放射治疗可在近端刺激肿瘤抗原对CD8+T细胞的作用，并通过STIE进一步作用于远端。的确，放射治疗可以激活抗肿瘤免疫反应，联合放射治疗已成为提高PD-1抑制剂免疫治疗效果的重要途径之一。然而，放射治疗和CTLA-4抑制剂的联合治疗只有少数患者有应答反应。从理论上讲，放射治疗对“冷肿瘤”患者比“热肿瘤患者更有利，因为放射治疗可能会破坏现有的CD8+T细胞。此外，放疗还可通过CD8+T细胞等循环免疫细胞，促进肿瘤中PD-L1的表达，并激活STIE的活性。研究还发现TGF-β/PD-L1双靶向疗法（bintrafusp alfa，BA）显著降低了放射治疗（RT）诱导的上皮-间充质转化(EMT)、ECM、纤维化和血管内皮生长因子(VEGF)的表达。可见，BA和RT具有协同作用，即BA可进一步增强RT的正向免疫调节作用，同时在一定程度上逆转RT的负面作用，导致TME局部重塑，增强免疫应答。总之，基于STIE和TIME来预测可能的不良免疫反应值得进一步研究。

（2）免疫疗法重塑重塑STIE和TIME

免疫疗法可以改变STIE和TIME，尤其是其对T细胞的影响，在免疫疗法重塑STIE和TIME的过程中至关重要。T细胞耗竭是目前限制基于T细胞的免疫疗法疗效的主要障碍。根据转录和表观遗传学分析，耗竭型CD8+T细胞(Tex)的发育可分为四个阶段，即静止驻留阶段、增殖循环阶段、轻度细胞毒性阶段和最终耗竭驻留阶段。PD-1可以使静止驻留阶段和增殖循环阶段的Tex恢复活力，而高表达PD-1的最终耗竭型T细胞的表观遗传修饰和特征是稳定的，很难改变，因此PD-L1/PD-1抑制剂不能使最终耗竭驻留的细胞功能恢复。在有效的PD-1抑制剂治疗后，肿瘤特异性T细胞前体的增加有三个可能原因：1.耗竭CD8+T细胞的逆转；2.肿瘤免疫微环境(TIME)中原有前体细胞的扩张；3.来自TIME外部的免疫系统（STIE）如外周血中的T细胞。

（3）通过化疗、靶向治疗或联合治疗重塑STIE和TIME

癌症治疗可以重塑STIE和TIME，进而可以影响后续免疫治疗的疗效。全身治疗方法，如化疗，可以将“冷肿瘤”转变为“热肿瘤”。系统治疗后的重塑显然是复杂的，而且随着肿瘤类型的不同而不同。化疗对高增殖细胞具有广泛的细胞毒性作用，尤其是对造血系统和免疫系统的影响。因为它会对免疫细胞产生细胞毒性，所以化疗也会影响PD-1抑制剂的治疗。通过小分子抑制物进行靶向治疗主要作用于快速生长的肿瘤细胞。与化疗相比，靶向治疗可以抑制肿瘤生长，而不会对免疫系统产生不利影响，使其成为与PD-1抑制剂治疗相结合的潜在选择。

在联合免疫治疗方面，对Lewis肺癌模型的临床前研究表明，IDO抑制剂联合放射治疗可以减少PD-L1和Treg的表达，促进TME中树突状细胞的成熟。这表明联合治疗可以增强T细胞的活性，促进抗肿瘤免疫。在C57BL/6小鼠肺癌异种移植模型的研究中，虽然单纯放射治疗增加了Treg和细胞毒性T细胞的渗透，但放射治疗和PD-1抑制剂免疫治疗相结合可以有效地抑制肿瘤进展，增加CD8+T细胞，减少髓系来源的抑制细胞（MDSC）和Treg细胞。

细胞因子和趋化因子是由多种细胞产生的可溶性蛋白质，具有广泛的调节功能，影响肿瘤免疫治疗。CCl4通过抑制表观遗传调节因子如HDAC8/SIRT7与PD-L1抑制剂的联合治疗可增强对肝癌的杀伤力。干扰素-α(IFN-α)可促进肿瘤细胞凋亡，抑制肿瘤细胞增殖。与PD-1抑制剂相比，PD-1和LAG-3抑制剂联合应用可提高CD8+T细胞的抗肿瘤功能。靶向PD-L1和TGF-β1可能会改善耐药状况。总之，阻断抑制受体、共刺激受体、细胞因子、免疫检查点，以及将PD-1抑制剂与更传统的肿瘤治疗(如放疗、化疗和靶向治疗)联合使用，都可以通过重塑STIE和TIME，显示出良好的抗肿瘤效果。

单细胞多组学可以分析癌症患者的空间细胞分布特征和基因转录表达之间的关系，以及它们在免疫治疗过程中的动态变化。单细胞RNA测序(scRNA-Seq)可以表征单个细胞的转录组，并揭示给定样本(TIME研究用肿瘤组织，STIE研究用血液样本)内的细胞亚群。然而，在scRNA-Seq必需的组织解离步骤中，单个细胞的分离破坏了它们在原始组织中的空间位置和彼此之间的密切信息。由于近端和旁分泌信号的功能范围从0到200μm，这种类型的空间信息对于理解正常组织和疾病组织之间的细胞间通信是必不可少的。空间转录组学测量组织样本中的所有基因表达，并绘制出发生的位置，这可以帮助我们更好地了解基因表达与肿瘤组织中细胞定位之间的关系，提供单细胞基因组学所缺少的知识。因此，结合单细胞转录组和空间转录组的策略有可能更准确地定义TIME及其对癌症治疗的反应。更重要的是，这两项技术的结合甚至可以在探究新细胞群在TIME上的定位，有助于促进精确的联合免疫治疗以改善治疗结果。

综上所述，PD-1抑制剂免疫治疗面临着诸如总体应答率低、疾病过度进展、对脑转移的认识有限以及严重的irAE等问题。单细胞转录本和空间转录本技术可用于研究PD-1抑制剂治疗前后肿瘤细胞在STIE和TIME上的异质性和协调性，对TIME代谢神经通路的影响，对免疫微环境的整体影响，以及免疫调节放疗等传统癌症治疗的个体效应。研究肿瘤在原位和转移部位的TIME以及血液中的STIE，为研究肿瘤的进展机制和全面的癌症治疗打开了一扇大门。寻找STIE和TIME中影响PD-1抑制剂治疗效果的关键因素，可以确定提高PD-1抑制剂治疗效率的方法。因此需要更多的STIE相关研究来确定治疗的顺序和时机，以获得最大的临床益处。

小编希望能够通过这篇文章帮助大家系统梳理一些目前免疫研究涉及到的重要又容易混淆的一些概念（比如肿瘤微环境/肿瘤免疫微环境/系统性肿瘤免疫环境），全面了解了目前免疫治疗在临床应用的现状及问题（比如治疗响应率低，超进展性疾病，免疫相关不良事件等）。

参考文献：

Xu L, Zou C, Zhang S, et al. Reshaping the systemic tumor immune environment (STIE) and tumor immune microenvironment (TIME) to enhance immunotherapy efficacy in solid tumors. J Hematol Oncol. 2022 Jul 7;15(1):87.

Chen DS, Mellman I. Oncology meets immunology: the cancer‑immunity cycle. Immunity. 2013;39(1):1–10

Beltra JC, Manne S, et al.. Developmental Relationships of Four Exhausted CD8+ T Cell Subsets Reveals Underlying Transcriptional and Epigenetic Landscape Control Mechanisms. Immunity. 2020 May 19;52(5):825-841.e8.

来源：i生信