如何理解腫瘤免疫微環(huán)境的異質(zhì)性？

引言

在腫瘤發(fā)生和隨后的轉(zhuǎn)移過程中，惡性細(xì)胞逐漸多樣化，變得更具異質(zhì)性。因此，腫瘤可能被多種免疫相關(guān)成分浸潤，包括細(xì)胞因子/趨化因子環(huán)境、細(xì)胞毒性活性或免疫抑制因子。這種免疫異質(zhì)性在幾乎所有實(shí)體瘤中普遍存在，并且隨著腫瘤的發(fā)展以及治療干預(yù)而在空間上或時(shí)間上發(fā)生變化。抗腫瘤免疫的異質(zhì)性與疾病的進(jìn)展和治療的反應(yīng)性密切相關(guān)，尤其是在免疫治療領(lǐng)域。

因此，準(zhǔn)確了解腫瘤免疫異質(zhì)性對(duì)于有效治療的發(fā)展至關(guān)重要。在多區(qū)域和組學(xué)測序、單細(xì)胞測序以及縱向液體活檢方法的幫助下，最近的研究顯示了研究腫瘤免疫異質(zhì)性的復(fù)雜性及其在免疫治療中臨床相關(guān)性的潛力。探索腫瘤免疫微環(huán)境異質(zhì)性的機(jī)制，有助于我們對(duì)腫瘤異質(zhì)性的臨床評(píng)估，從而促進(jìn)更有效的個(gè)性化治療的發(fā)展。

一、腫瘤免疫微環(huán)境異質(zhì)性的起源

遺傳不穩(wěn)定性

高通量測序方法長期以來一直被用來描述腫瘤細(xì)胞的突變譜和進(jìn)化軌跡，這些研究在時(shí)空維度上描繪了廣泛的遺傳腫瘤異質(zhì)性，包括異質(zhì)性單核苷酸突變、插入、缺失和拷貝數(shù)突變。在腫瘤進(jìn)展過程中，遺傳不穩(wěn)定性導(dǎo)致隨機(jī)產(chǎn)生這些改變。

在原發(fā)性腫瘤中，受驅(qū)動(dòng)基因的突變通常會(huì)帶來生存優(yōu)勢；因此，這些細(xì)胞更有可能占據(jù)生長優(yōu)勢的位置，并發(fā)展成為優(yōu)勢克隆群體。相比之下，乘客突變在腫瘤進(jìn)化過程中不會(huì)帶來顯著的生長優(yōu)勢，它們被認(rèn)為是亞克隆腫瘤細(xì)胞的主要來源。因此，起源于克隆和亞克隆腫瘤細(xì)胞的遺傳不穩(wěn)定性構(gòu)成了腫瘤進(jìn)化和時(shí)空異質(zhì)性的基礎(chǔ)。同時(shí)，這種基因異質(zhì)性塑造了腫瘤的抗原譜，并最終促成了腫瘤免疫微環(huán)境的異質(zhì)性。

表觀遺傳修飾

越來越多的證據(jù)表明，腫瘤細(xì)胞的表觀遺傳重塑也參與了異質(zhì)性腫瘤免疫微環(huán)境的形成。這種調(diào)節(jié)機(jī)制主要?dú)w因于DNA修飾的改變、染色質(zhì)可及性的改變或轉(zhuǎn)錄后水平上的基因表達(dá)調(diào)節(jié)，如非編碼RNA干擾。這些表觀遺傳修飾促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的惡性進(jìn)展，并有助于形成腫瘤免疫微環(huán)境。

除了甲基化之外，各種染色質(zhì)和表觀遺傳重塑機(jī)制賦予腫瘤細(xì)胞適應(yīng)周圍環(huán)境的優(yōu)勢。通常，表觀遺傳修飾是有條件可逆的。在腫瘤細(xì)胞中，這些修飾可以由其后代遺傳，因此，這些細(xì)胞在空間和縱向維度上表現(xiàn)出顯著的異質(zhì)性。

微環(huán)境擾動(dòng)適應(yīng)度

腫瘤細(xì)胞持續(xù)暴露于細(xì)胞外微環(huán)境擾動(dòng)中。越來越多的證據(jù)表明，細(xì)胞內(nèi)適應(yīng)性可由外部應(yīng)激引起，包括DNA損傷反應(yīng)、未折疊蛋白質(zhì)反應(yīng)和線粒體應(yīng)激信號(hào)。腫瘤在組織學(xué)和血管構(gòu)筑方面表現(xiàn)出顯著的異質(zhì)性。

腫瘤內(nèi)血管近端或遠(yuǎn)端的區(qū)域可能暴露于不同的氧氣供應(yīng)。因此，免疫成分能夠以時(shí)空異質(zhì)的方式適應(yīng)基于氧氣張力、葡萄糖可用性或氧化途徑的外部刺激。無論免疫組分在缺氧條件下是否適應(yīng)良好，幾乎所有的缺氧反應(yīng)都與腫瘤免疫微環(huán)境的重編程密切相關(guān)，其主要特征是細(xì)胞糖酵解代謝的局部轉(zhuǎn)換、葡萄糖消耗增加、丙酮酸和乳酸產(chǎn)生增加，和酸化。

抗腫瘤治療的反應(yīng)

在治療過程中，微環(huán)境中的腫瘤細(xì)胞和所有免疫成分要么被打擊（如放療），要么持續(xù)暴露于抗腫瘤藥物。為了應(yīng)對(duì)這些應(yīng)激因素，腫瘤和免疫細(xì)胞的適應(yīng)性機(jī)制被啟動(dòng)，以建立新的內(nèi)環(huán)境平衡。

由于驅(qū)動(dòng)突變或分子特征的內(nèi)在異質(zhì)性，腫瘤細(xì)胞對(duì)治療的反應(yīng)性存在顯著差異。細(xì)胞毒性條件使腫瘤和免疫細(xì)胞經(jīng)歷表型改變、細(xì)胞衰老甚至細(xì)胞死亡。無法在治療中存活的局部腫瘤克隆通過自噬介導(dǎo)的細(xì)胞死亡釋放大量ATP。這些ATP可以促進(jìn)趨化作用，并在腫瘤中產(chǎn)生炎癥反應(yīng)。相反，在存在細(xì)胞外核苷酸酶的情況下，ATPs可以在細(xì)胞外基質(zhì)中迅速轉(zhuǎn)化為腺苷，從而形成抑制性免疫微環(huán)境。

對(duì)于免疫細(xì)胞而言，T細(xì)胞表型在對(duì)ICI的反應(yīng)中發(fā)生顯著變化，伴隨著不同的T細(xì)胞亞群組成和細(xì)胞因子產(chǎn)生。治療藥物、腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞之間復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的相互作用顯著促進(jìn)了時(shí)空異質(zhì)免疫微環(huán)境的形成。

二、腫瘤免疫微環(huán)境的異質(zhì)性

空間異質(zhì)性

腫瘤免疫微環(huán)境的特征主要由腫瘤和非腫瘤成分決定。它們的定位或豐度/活性在空間上是不同的，包括抑制性免疫檢查點(diǎn)（如PD-L1）的表面表達(dá)、免疫抑制或促炎細(xì)胞因子的分泌、免疫抑制或效應(yīng)細(xì)胞的浸潤、血管系統(tǒng)的狀態(tài)、邊緣區(qū)域的空間距離，以及代謝營養(yǎng)素的分布。這些空間變異也會(huì)對(duì)臨床預(yù)后和治療反應(yīng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

腫瘤內(nèi)T細(xì)胞的表型表現(xiàn)出顯著的異質(zhì)性。T細(xì)胞通常具有不同的克隆性、增殖潛能、分化階段、功能極化、細(xì)胞因子分泌譜或代謝環(huán)境。關(guān)于T細(xì)胞庫的傾向性，擴(kuò)增/增殖性T細(xì)胞受體（TCR）可進(jìn)一步分為常見TCR克隆（在腫瘤內(nèi)所有區(qū)域檢測到）或區(qū)域克隆（異質(zhì)分布）。常見和區(qū)域性TCR克隆的數(shù)量與常見和區(qū)域性非同義突變的負(fù)荷呈正相關(guān)，表明區(qū)域異質(zhì)性、抗原驅(qū)動(dòng)的T細(xì)胞增殖。此外，值得注意的是，調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg）也顯示出顯著的腫瘤內(nèi)空間異質(zhì)性和功能取向。

除了T細(xì)胞亞群，在各種腫瘤類型中也發(fā)現(xiàn)了許多其它免疫細(xì)胞的腫瘤內(nèi)異質(zhì)性。在胃癌中，CD68+CD163+CD206+表型的巨噬細(xì)胞主要位于基質(zhì)中，與邊緣區(qū)相比，CD68+IRF8+巨噬細(xì)胞在核心區(qū)過表達(dá)。除了免疫細(xì)胞群，基質(zhì)細(xì)胞（如成纖維細(xì)胞）在腫瘤中也表現(xiàn)出高度的空間取向性。

代謝譜是免疫微環(huán)境的重要調(diào)節(jié)因子，可能通過影響癌細(xì)胞的增殖潛能和適應(yīng)環(huán)境而發(fā)揮作用。代謝特征的異質(zhì)性似乎有助于腫瘤免疫微環(huán)境的異質(zhì)性。具有高糖酵解活性的惡性細(xì)胞不僅可以將其代謝途徑轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣纱x反應(yīng)，還可以產(chǎn)生大量免疫抑制介質(zhì)，如乳酸和腺苷，以減弱細(xì)胞毒性細(xì)胞的免疫監(jiān)視。

時(shí)間異質(zhì)性

腫瘤和免疫細(xì)胞很容易被遺傳或非遺傳環(huán)境因素干擾，因此決定了疾病的進(jìn)展和對(duì)抗腫瘤治療的反應(yīng)，以及腫瘤細(xì)胞本身的動(dòng)態(tài)進(jìn)化。在疾病從非侵襲性病變發(fā)展為侵襲性表型的過程中，胰腺導(dǎo)管腺癌患者的RNA-Seq揭示了免疫細(xì)胞浸潤成分的顯著變化。通常表現(xiàn)為CD8+T細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞的浸潤減少，以及免疫抑制細(xì)胞（包括Treg、MDSC或CAF）的異常聚集或擴(kuò)增。

此外，多種腫瘤類型的疾病進(jìn)展過程中，還存在細(xì)胞溶解活性受損、細(xì)胞庫擴(kuò)展和克隆性受限以及T細(xì)胞和B細(xì)胞的進(jìn)行性衰竭。個(gè)體患者中免疫不利區(qū)域或病變的出現(xiàn)似乎與疾病控制和生存預(yù)后成反比，這進(jìn)一步加強(qiáng)了時(shí)空異質(zhì)性對(duì)疾病結(jié)果的重要性。

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三、腫瘤免疫微環(huán)境異質(zhì)性的臨床意義

幾乎所有癌癥患者的免疫預(yù)后或預(yù)測性生物標(biāo)志物都是基于對(duì)單個(gè)活檢樣本的分析而建立的。然而，異質(zhì)性是研究重現(xiàn)性的一個(gè)重大障礙，并削弱了其臨床實(shí)用性。此外，大量證據(jù)表明，腫瘤微環(huán)境的異質(zhì)性，無論是遺傳的還是免疫的，都會(huì)影響實(shí)體瘤患者的免疫治療效果。

PD-L1表達(dá)的異質(zhì)性

自從第一個(gè)證據(jù)支持PD-L1蛋白表達(dá)和抗PD-1檢查點(diǎn)阻斷療法的療效相關(guān)以來，PD-L1水平已被用作伴隨診斷，以預(yù)測各種實(shí)體瘤類型對(duì)ICI免疫療法的臨床反應(yīng)。然而，無論在腫瘤內(nèi)或腫瘤間尺度上，還是在空間和時(shí)間維度都存在顯著的異質(zhì)性PD-L1表達(dá)。

在評(píng)估來自NSCLC患者的原發(fā)性和腦轉(zhuǎn)移腫瘤中PD-L1的表達(dá)后，可以觀察到兩種病變之間PD-L1表達(dá)存在顯著差異。PD-L1表達(dá)是由IFN-γ信號(hào)通路強(qiáng)烈誘導(dǎo)的，該信號(hào)通路在含有功能異常JAK1/2突變的亞克隆中受到異質(zhì)性調(diào)控。此外，在接受ICI治療的患者中出現(xiàn)的抗原處理和呈遞缺陷亞克隆與黑色素瘤、肺癌和結(jié)直腸癌的不良臨床結(jié)果相關(guān)。這種潛在的異質(zhì)性可以解釋為什么一部分PD-L1陽性腫瘤患者沒有反應(yīng)，而一些PD-L1陰性腫瘤患者對(duì)ICI免疫療法反應(yīng)良好。

TMB高反應(yīng)患者的異質(zhì)性反應(yīng)

突變負(fù)荷是新抗原負(fù)荷的一種合理近似替代物，已被用于在各種實(shí)體瘤類型中識(shí)別ICI免疫療法的有利應(yīng)答者。然而，TMB高的患者對(duì)ICB治療的反應(yīng)是高度異質(zhì)性的，相當(dāng)一部分TMB水平較低的患者也可以從ICI免疫療法中獲益，反之亦然。

對(duì)于對(duì)ICI治療反應(yīng)不佳的TMB高風(fēng)險(xiǎn)患者，缺陷/失調(diào)的抗原呈遞機(jī)制被認(rèn)為是免疫治療抵抗的主要機(jī)制，尤其是HLA的單倍型和區(qū)域表達(dá)，以及B2M分子的表達(dá)。此外，系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)，克隆異質(zhì)性，無論是通過構(gòu)成腫瘤的克隆數(shù)量來衡量，還是通過克隆分化來衡量，都對(duì)ICI治療的生存結(jié)果產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

MMR缺陷患者的異質(zhì)性反應(yīng)

缺乏MMR的患者對(duì)ICI治療極為敏感，這在很大程度上歸因于升高的預(yù)測新抗原和改善的免疫原性腫瘤微環(huán)境。在眾多實(shí)體瘤類型的晚期dMMR患者中，pembrolizumab作為MSI-H腫瘤患者的最佳治療方法獲得了前所未有的認(rèn)可。然而，只有少數(shù)患者對(duì)ICI治療反應(yīng)良好。

dMMR腫瘤的腫瘤細(xì)胞內(nèi)在基因型和外在免疫環(huán)境都可以影響其療效，在dMMR腫瘤中，浸潤免疫細(xì)胞基因組不穩(wěn)定性的程度似乎在很大程度上是異質(zhì)性的，導(dǎo)致免疫原性有限的離散生態(tài)位和免疫介導(dǎo)的腫瘤控制不足，這可能導(dǎo)致耐藥性。此外，影響MSI-H腫瘤對(duì)ICI反應(yīng)的其他變量包括，在發(fā)育過程中，它們傾向于執(zhí)行強(qiáng)大的免疫編輯和轉(zhuǎn)化為糖酵解譜，這在很大程度上有助于免疫逃逸。

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四、克服腫瘤免疫微環(huán)境異質(zhì)性的策略

針對(duì)公共抗原

存在空間上不同的免疫原性是免疫治療產(chǎn)生異質(zhì)性反應(yīng)的根本原因。克服這一障礙的合理策略包括開發(fā)可針對(duì)整個(gè)腫瘤生態(tài)位的共享新抗原或均勻表達(dá)的腫瘤相關(guān)抗原（TAA）。

與個(gè)性化的新抗原相比，公共或共享的新抗原來源于癌基因的驅(qū)動(dòng)突變或基因組中的其他熱點(diǎn)突變。它們的特征是具有特定癌癥亞型的患者子集中呈現(xiàn)的免疫原性表位。因此，公共新抗原的發(fā)現(xiàn)依賴于從相當(dāng)大的患者庫中分析個(gè)體化新抗原。公共新抗原的一個(gè)例子是KRAS上G12D的突變，該突變在胰腺癌、結(jié)腸腺癌、非小細(xì)胞肺和結(jié)直腸癌中常見。類似地，TP53是一種眾所周知的腫瘤抑制基因，在大量癌癥中廣泛突變，具有廣泛的熱點(diǎn)突變，并為多種癌癥所共有。

多抗原靶向

通過同時(shí)靶向多個(gè)抗原來克服免疫原性異質(zhì)性是另一個(gè)合理的途徑。這種策略最大限度地防止實(shí)體瘤中由于異質(zhì)性免疫原性而導(dǎo)致抗原丟失時(shí)免疫逃逸的可能性。

目前，多種雙靶點(diǎn)策略已經(jīng)應(yīng)用于CAR-T細(xì)胞治療，兩種分別靶向不同表位的CAR-T細(xì)胞，或通過同時(shí)靶向多個(gè)表位的單個(gè)CAR-T細(xì)胞。例如，抗CD38/BCMA CAR-T細(xì)胞已在多發(fā)性骨髓瘤患者，抗CD19/CD22雙特異性CAR-T細(xì)胞在治療B-NHL患者中進(jìn)行了測試。

促進(jìn)免疫原性細(xì)胞死亡和表位擴(kuò)散

在癌癥免疫治療中，腫瘤疫苗是一種很有前途的治療策略，不僅因?yàn)樗軌蛲ㄟ^傳遞高度免疫原性抗原來引發(fā)炎癥環(huán)境，還因?yàn)樗鼈兺ㄟ^促進(jìn)表位擴(kuò)散來拓寬和多樣化抗原譜。

隨著個(gè)人新抗原功能鑒定的突破，在長期臨床過程中，使用合成新抗原治療的患者不斷檢測到強(qiáng)大的新抗原特異性T細(xì)胞反應(yīng)。隨著新抗原特異性T細(xì)胞克隆的持續(xù)存在，疫苗接種后還觀察到具有更廣泛規(guī)格的多樣化T細(xì)胞庫，從而提供了更大的可能性，以異種抗原性完全覆蓋腫瘤塊。除了直接提供合成肽外，編碼個(gè)性化新抗原的RNA疫苗或負(fù)載樹突狀細(xì)胞的新抗原疫苗也成功地動(dòng)員了具有廣泛T細(xì)胞特異性的有效和持續(xù)的抗腫瘤免疫。

克服免疫微環(huán)境異質(zhì)性的另一種策略是利用溶瘤病毒直接殺死惡性細(xì)胞，通過釋放大量免疫活性成分，包括隱匿的腫瘤相關(guān)抗原、危險(xiǎn)信號(hào)、細(xì)胞因子和趨化因子，強(qiáng)烈促進(jìn)免疫原性細(xì)胞死亡。這種伴隨的旁分泌作用對(duì)于激活腫瘤內(nèi)空間周圍位點(diǎn)的非選擇性T細(xì)胞毒性至關(guān)重要，尤其是對(duì)于免疫原性相對(duì)較低的位點(diǎn)。除溶瘤病毒外，還可以引入各種方法，通過可溶性成分介導(dǎo)的機(jī)制激發(fā)炎癥免疫微環(huán)境，例如新型藥物、酪氨酸激酶抑制劑、陽離子兩性肽、微波、放射治療。所有這些都強(qiáng)調(diào)了一個(gè)關(guān)鍵問題，即強(qiáng)有力的治療反應(yīng)通常涉及整個(gè)免疫微環(huán)境向免疫活性、同質(zhì)環(huán)境的重塑。

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結(jié)語腫瘤發(fā)生是一系列遺傳和非遺傳過程的綜合和累積失調(diào)。由于腫瘤基因組固有的遺傳不穩(wěn)定性，在疾病進(jìn)展過程中，大部分致瘤事件不可避免地以隨機(jī)方式發(fā)生。這些隨機(jī)事件在空間或時(shí)間維度上為異質(zhì)性免疫微環(huán)境的發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件。此外，對(duì)代謝物和營養(yǎng)素的競爭、治療壓力或關(guān)鍵癌基因的進(jìn)化不斷重塑免疫微環(huán)境。這最終為惡性細(xì)胞逃避免疫監(jiān)視創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，最終導(dǎo)致疾病進(jìn)展和轉(zhuǎn)移。

這種免疫異質(zhì)性也是基于單個(gè)活檢的預(yù)測性生物標(biāo)記物表現(xiàn)不佳以及對(duì)免疫療法產(chǎn)生耐藥性的原因。因此，考慮到腫瘤基因組的不穩(wěn)定性和異質(zhì)性的無休止發(fā)展，有必要關(guān)注從異質(zhì)性腫瘤模型中吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。一個(gè)復(fù)雜的、受控的模型使我們能夠精確地理解對(duì)異質(zhì)性的抗腫瘤免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制。而治療方法不僅應(yīng)考慮致癌靶點(diǎn)或代表性免疫檢查點(diǎn)，還應(yīng)考慮免疫微環(huán)境的異質(zhì)性和反應(yīng)性。跟蹤腫瘤和免疫細(xì)胞之間的時(shí)空相互作用對(duì)于指導(dǎo)免疫療法的有效而持久的反應(yīng)至關(guān)重要。

參考資料：

1.Heterogeneity of the tumor immunemicroenvironment and its clinical relevance. Exp Hematol Oncol. 2022; 11:24.

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