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NK细胞在肿瘤免疫治疗中的可塑性

前言

自然杀伤(NK)细胞对人类免疫的各个方面都至关重要,其通过直接细胞毒性或协调更广泛的免疫反应发挥作用。NK细胞可以利用其固有的细胞毒性直接靶向和裂解肿瘤细胞,另外,某些NK细胞亚群还介导抗体依赖性细胞毒性(ADCC),这是多种抗体药物发挥功能的基础。

然而,许多研究表明,NK细胞具有很大的可塑性,可以响应外部信号改变其功能和表型。某些NK细胞亚群也显示促进肿瘤微环境中血管生成、驱动炎症和免疫逃避的作用。迄今为止,驱动肿瘤浸润NK细胞获得促肿瘤或抗肿瘤功能的信号尚不清楚。因此,了解TME中NK细胞可塑性如何影响NK细胞反应非常重要,理解NK细胞可塑性背后的机制可能有助于提高当前和未来基于NK细胞免疫治疗的疗效。

NK细胞的表型和功能

NK细胞是第一个被鉴定的先天性淋巴细胞(ILC)亚型,能对病毒感染和/或转化的细胞产生多种效应器功能,主要是细胞杀伤和产生促炎细胞因子。NK细胞和其他ILC家族成员(—1型ILC(ILC1s)、ILC2s和ILC3s)与B细胞和T细胞来源于相同的淋巴祖细胞。NK细胞的细胞毒性活性使它们在功能上与CD8+T细胞最为相似,而ILC1、ILC2和ILC3群体的细胞因子生成模式将这些细胞分别对应CD4+T细胞的TH1、TH2和TH17亚群。

NK细胞的两个最典型的亚群是CD56BrightCD16-和CD56dimCD16+群体。CD56Bright细胞在外周血中的数量较少(循环中90%的NK细胞是CD56dim),而组织中的NK细胞主要是CD56BrightCD56Bright NK细胞是强有力的细胞因子产生者,除非受到促炎性细胞因子如IL-15的刺激,否则细胞毒性较弱。相比之下,CD56dim NK细胞群可介导感染细胞和恶性细胞的连续杀伤,主要通过包含颗粒酶B和穿孔素的预先组装的溶细胞颗粒在免疫突触中的胞吐,最终诱导靶细胞凋亡。

NK细胞在肿瘤免疫治疗中的可塑性

除了两种常规NK细胞亚群外,还描述了许多表型和转录独特的NK细胞群。这些不同的NK表型主要存在于特定组织微环境中的各种组织驻留NK细胞(trNK)群体。与循环中的NK细胞相比,trNK亚群通常具有CD56BrightEOMESHiTBETLo表型。尽管具有CD56Bright表型,但trNK细胞在一些关键方面与循环CD56Bright细胞不同。首先,trNK细胞表达循环细胞上通常不存在的组织驻留标记。此外,trNK细胞通常对CCR7和CD62L呈阴性,这是循环中CD56Bright细胞特征性表达的标记。功能上,trNK细胞通常细胞毒性差,其促炎细胞因子的产生是可变的。尽管已经报道了许多trNK亚群,但两个trNK亚群经常用于描述肿瘤浸润性NK细胞:蜕膜NK(dNK)和ieILC1s。

dNK细胞是一种特殊的trNK亚群,在妊娠期间的母体基底蜕膜中发现。表型上,大多数dNK细胞为CD56BrightCD16-KIR+,而循环CD56Bright细胞为KIR-。此外,dNK细胞表达TBET和EOME以及一系列组织驻留标记,包括CD9、CD49a和CD69。生理学上,dNK细胞通过滋养细胞侵袭和子宫内膜血管系统重塑对胎盘形成至关重要。dNK细胞产生一系列促血管生成因子,如血管内皮生长因子(VEGF)、胎盘生长因子(PIGF)和血管生成素-2(Ang-2)。此外,dNK细胞产生多种免疫调节细胞因子,如转化生长因子β(TGF-β)、GM-CSF、IL-8和IL-10,细胞溶解性差。因此,显示dNK样表型的肿瘤浸润NK细胞不太可能导致有益的疾病结果。

相反,ieILC1s代表了TME中可能观察到的trNK表型的另一极端。其最初在扁桃体和肠道上皮层内发现,ieILC1s的特征为CD56+CD16-CD127-TBET+EOMES+。此外,ieILC1s特征性表达CXCR6和驻留标记CD49a、CD103、CD69。ieILC1s的功能特征与dNK细胞形成鲜明对比。具体而言,ieILC1s具有细胞毒性,产生细胞溶解分子颗粒酶B和穿孔素。此外,在用IL-15或IL-18刺激后,ieILC1s可产生与cNK细胞相当水平的IFN-γ。最近的一项研究发现,头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)患者的肿瘤浸润ieILC1样细胞具有强大的抗肿瘤功能。

NK细胞在癌症中的可塑性

在许多不同的肿瘤类型中观察到具有独特表型和功能特性的肿瘤浸润NK细胞。这些肿瘤特异性NK细胞的特性与健康个体中发现的某些trNK群体具有显著相似性。

例如,不同的研究小组描述了肿瘤组织中的dNK样细胞。这些细胞与dNK一样具有CD56Bright表型,以及降低的促炎症和细胞溶解能力,最重要的是产生促血管生成因子。事实上,已在非小细胞肺癌(NSCLC)患者中观察到dNK样细胞,体外试验表明,这些dNK类细胞可诱导毛细血管样结构的形成。此外,在浸润性肾细胞癌、乳腺癌、黑色素瘤、结直肠癌和肺腺癌中也发现了类似的dNK样细胞。鉴于这些细胞的促血管生成特性,dNK样表型细胞的富集可能与患者预后呈负相关。

除了dNK样表型外,一些研究报告了具有trNK样特性但抗肿瘤功能增强的肿瘤浸润NK细胞。这些细胞被描述为ieILC1样细胞,因为它们与健康人的ieILC1细胞相似。在人类癌症中,已报告结直肠和肺肿瘤组织中存在ieILC1s。这些ieILC1细胞表达高水平的细胞毒性和促炎基因。随后的体外试验显示,它们对HNSCC肿瘤细胞具有强大的细胞溶解活性。

除了细胞毒性ieILC1群体外,研究还报道了功能失调的NK细胞亚群。分析表明肿瘤浸润NK细胞可以沿着两条不同的路径进行。其中一种产生ieILC1表型和细胞毒性,而另一种则导致功能失调表型。然而,是什么支配这些肿瘤浸润NK细胞发生这样的变化仍有待发现。

NK细胞可塑性的驱动因素

TMENK细胞可塑性的控制因素是一个对基于NK细胞免疫疗法至关重要的问题。其可用于促进肿瘤浸润NK细胞向抗肿瘤表型转化,并减轻向促肿瘤表型转化的可能性。

已经证实,TGF-β负责向淋巴细胞传递组织驻留特征,NK细胞以及其他先天性和适应性免疫亚群也是如此。例如,用TGF-β刺激cNK细胞可快速获得组织驻留标记。在生理条件下,肝源性TGF-β对于维持肝脏NK表型非常重要。类似地,在妊娠期间的蜕膜中YE 发现TGF-β,对于建立dNK表型至关重要。TGF-β存在于各种癌症实体中,多个研究现已证明,TGF-β信号是获得trNK表型的关键驱动因素。

除TGF-β外, TME中富含的其它可溶性免疫调节分子,例如吲哚胺-2,3-双加氧酶(IDO),炎症介质前列腺素E2和糖蛋白glycodelin也影响NK细胞表型。有研究表明,IDO水平与NK细胞细胞毒性的丧失有关。类似地,TME中的肿瘤衍生前列腺素E2特异性调节NK功能,因此干扰更广泛的抗肿瘤免疫应答。最有趣的是观察到glycodelin刺激诱导外周血CD56Bright细胞向dNK样表型的变化,Glycodelin处理的CD56Bright细胞上调dNK标记物CD9和CD49a,最重要的是产生促血管生成介质VEGF。这些效应仅在CD56Bright细胞中观察到。

TME中的ieILC1s是肿瘤浸润NK细胞表型,保留抗肿瘤细胞毒性。有趣的是,ieILC1s已被证明对IL-15信号高度敏感。用人NK细胞进行的体外试验显示,IL-15对于ieILC1样细胞的生成非常重要。除IL-15外,TME中还存在多种其他因子,可调节NK功能,使其具有抗肿瘤表型。此外,TME富含损伤相关分子模式(DAMP),NK细胞本身可以通过toll样受体家族直接对各种DAMP作出反应。因此,TME内的DAMP可能会调节NK细胞功能,但这些信号如何调节NK细胞仍需要进一步研究。

总之,肿瘤浸润NK细胞的命运决定可能是多种分泌和膜结合因子之间的复杂相互作用。也有可能的是,促肿瘤或抗肿瘤表型的可塑性取决于刺激和抑制信号之间平衡的变化。然而,几乎没有观测或实验证据来证明这一假设。因此,迫切需要进一步研究以确定TME信号与肿瘤浸润NK细胞的最终表型之间的精确关系。

NK细胞耗竭

免疫耗竭是一种在T细胞生物学背景下表征和广泛研究的现象。免疫耗竭的关键标志包括细胞毒性/细胞因子产生的减少和免疫抑制受体的上调。

事实上,肿瘤浸润的NK细胞经常被观察到具有降低的细胞溶解和细胞因子分泌能力。此外,发现来自各种癌症实体的肿瘤浸润NK细胞上调抑制性受体,如PD-1和TIM-3。与健康对照或瘤周样品相比,肝癌患者肿瘤浸润NK细胞中抑制性NK受体NKG2A增加。总的来说,这些观察结果与免疫耗竭的定义一致。

NK细胞可塑性和耗竭的关系是该领域尚未解决的问题。NK细胞耗竭的表型与trNK表型有实质性重叠。此外,类似于NK细胞可塑性,TME中升高的免疫抑制分子与耗竭密切相关。因此,功能失调的trNK表型可能反映耗竭状态。

NK细胞可塑性在肿瘤免疫治疗中的意义

近年来,通过体内内源性NK功能的调节或通过外源过继性NK细胞治疗,NK细胞免疫疗法正处于癌症治疗发展的前沿。多项临床试验已经证明了各种NK细胞免疫疗法的临床潜力。然而,NK细胞是高度可塑性的群体,它们在进入TME时收到多种免疫抑制剂和免疫调节剂的影响。在这种情况下,NK细胞可塑性有可能将有效的抗肿瘤亚群推向可能有害的表型。因此,基于NK细胞的免疫治疗需要考虑NK细胞的固有可塑性,设计最优的策略以促进有效表型或限制向有害表型转变。

针对TGF-β信号传导是一种有效的靶向途径。一种常见的方法是对NK细胞进行基因修饰,使其表达负调节TGF-β受体,从而使NK细胞对TGF-β介导的信号传导产生抗性。这些TGF-β抗性NK细胞在体外和体内均显示出较高的抗肿瘤活性。一些临床试验正在以更有限的方式评估靶向TGF-β途径的有效性和安全性(NCT04991870和NCT05040568)。

与阻断抑制信号不同,一些研究旨在增加NK细胞中的刺激信号传导。常见的例子是靶向IL-15途径的方法,这是一个非常有吸引力的治疗靶点。体外表达IL-15的抗CD19 CAR-NK细胞显示出体外有效杀伤靶细胞能力并延长了体内存活时间。

小结

在生理学上,NK细胞既可以作为调节者,协调组织重塑,诱导免疫耐受,也可以作为对抗感染和疾病的第一线防御者。因此,NK细胞被认为具有很强的功能和表型可塑性,能够响应环境变化,显著改变其行为和特性。在肿瘤组织中,已观察到NK细胞具有促肿瘤和抗肿瘤的不同表型。

然而,TME内NK细胞可塑性的驱动因素尚不清楚。尽管已经确定了一些作用于肿瘤浸润性NK细胞并促进某些表型的关键因素,但决定NK细胞命运转变的精确信号仍有待确定。因此,有必要进一步深刻理解TME中NK细胞的可塑性,这有助于设计新的改进策略,以增强基于NK细胞的免疫治疗方法。

参考文献:

1.Plasticity of NK cells in Cancer. Front
Immunol.2022; 13: 888313.

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