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近年来，以免疫检查点抑制剂（ICIs）为代表的免疫治疗在癌症治疗方面取得了前所未有的突破。然而，许多肿瘤对ICIs的反应很差甚至没有反应，部分原因是缺乏肿瘤浸润淋巴细胞（TIL），这大大限制了ICIs的应用。将这些免疫“冷”肿瘤转化为可能对ICIs产生反应的“热”肿瘤是癌症免疫治疗中尚未解决的问题。
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今天要给大家分享的这篇今年6月发表于《Signal Transduct Target Ther》（IF：38.104）"肿瘤免疫治疗中的自噬、铁死亡、焦亡和坏死性凋亡"的综述，详细总结了抗肿瘤免疫与非凋亡性RCD之间的复杂关系，以及非凋亡性RCD在提高恶性肿瘤免疫治疗疗效方面的潜在靶向应用。
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细胞死亡分类
细胞死亡根据其发生的速度以及药物或基因是否可能对其产生影响分为两类：意外细胞死亡（ACD）和调节性细胞死亡（RCD）。ACD是不受控制的细胞死亡过程，由意外的伤害刺激触发，这些伤害刺激超出了细胞的可调节能力，从而导致细胞死亡的发生。RCD 是由信号转导途径和明确的作用机制介导的，在体内平衡维持和疾病发展中起着至关重要的作用。根据不同的形态、生化、免疫学和遗传特征，RCD分为凋亡和非凋亡两类。非凋亡性 RCD 可细分为自噬、铁死亡、焦亡和坏死性凋亡（表1）。
抗细胞凋亡是癌症的普遍特征。关于细胞凋亡的研究已经进行了30多年，然而，针对凋亡调节因子的治疗药物，如与凋亡有关的caspases或B细胞淋巴瘤-2（BCL-2）家族蛋白，在抗肿瘤治疗中效果不佳。相反，非凋亡性RCD对癌症的发展及治疗反应显著相关。例如，在模型小鼠中，肿瘤对铁死亡的敏感性增强显著可抑制胰腺癌的形成和进展。因此，靶向非凋亡RCD在抗肿瘤治疗领域引起了广泛关注。
表1
细胞死亡概述
1. 自噬
1.1简介
自噬（Autophagy）意为自体吞噬，是真核细胞在自噬相关基因的调控下利用溶酶体降解自身细胞质蛋白和受损细胞器的过程。自噬是一种进化上保守的途径，用于循环利用细胞内容物，清除聚集的蛋白质、受损的细胞器和入侵的病原体(如病毒和细菌)，以维持正常的细胞功能和动态平衡。根据包裹物质及运送方式的不同可将自噬分为3种类型：巨自噬（Macroautophagy）、微自噬（Microautophagy）和分子伴侣介导的自噬（Chaperone-mediated autophagy，CMA）。
在生理条件下，细胞自噬能清除细胞内老化、受损的生物大分子和细胞器等，以维持正常的细胞生物学功能；在饥饿、缺氧等代谢应激状态下，细胞可通过自噬降解老化、受损的生物大分子和细胞器等，以维持细胞的基本生命活动。因此，自噬作为细胞重要机制，不仅与个体成长、发育、分化、衰老密切相关，其功能的紊乱还与肿瘤、自身免疫疾病、心脑血管病以及神经系统疾病等多种疾病的发生和发展相关。
1.2机制
自噬主要分为四个过程，包括自噬的起始、隔离膜和自噬体的形成、自噬体与溶酶体融合以及自噬体的裂解。自噬起始由unc-51样激酶（ULK）复合物介导。当mTOR复合物1 （mTORC1）被抑制或5'-AMP活化蛋白激酶（AMPK）被激活时，ULK复合物转变为活性状态，从而激活 III 类 PI3K 复合物（VPS15、VPS34（也称为PIK3C3））。VPS34复合物在膜上生成磷脂酰肌醇 3-磷酸（PI3P），以募集并组装两个参与LC3脂化和自噬体形成的泛素样偶联系统。
自噬核心分子机制
2. 铁死亡
2.1简介
铁死亡（Ferroptosis ）是一种铁依赖性的，区别于细胞凋亡、细胞坏死、细胞自噬的新型的细胞程序性死亡方式。铁死亡的主要有以下几个特点：过程中常伴随着大量铁离子的累积，同时还会出现脂质过氧化，活性氧（ROS）升高。在细胞结构上，会出现比正常细胞小的线粒体，且线粒体膜皱缩，同时线粒体嵴减少或消失，外膜破碎，但细胞核中形态变化不明显。2.2机制
铁死亡的实质是细胞内脂质氧化物代谢障碍，在铁离子催化作用下代谢发生异常，当细胞抗氧化能力减弱，脂质活性氧堆积，使细胞内氧化还原失衡，诱导细胞死亡。铁死亡可以通过两条主要途径启动：外源性 (转运蛋白依赖) 途径，内源性 (酶调控) 途径。外源性途径是通过抑制细胞膜转运蛋白如胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白 (System xc-)，或激活铁转运蛋白血清转铁蛋白和乳转铁蛋白启动的。内源性途径是通过阻断细胞内抗氧化酶 (如GPX4) 激活的。
铁死亡核心分子机制
3.焦亡
3.1简介
焦亡（Pyroptosis）是由炎性小体引发的一种细胞程序性死亡，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物释放进而引起强烈的炎症反应。细胞死亡引发适应性免疫反应的能力称为免疫原性细胞死亡（ICD）。由于细胞焦亡具有诱导强烈炎症反应的分子机制，因此在某些情况下被认为是ICD的一种形式。
3.2机制
细胞焦亡的发生依赖于炎性半胱天冬酶(caspase)和GSDMs蛋白家族，简单来说就是被激活的caspase切割GSDMs蛋白，释放出其N端结构域，该结构域结合膜脂并在细胞膜上打孔，导致细胞渗透压的变化，进而发生胀大直至细胞膜破裂。细胞焦亡是机体一种重要的天然免疫反应，在抵抗感染中发挥着重要作用。
3.2.1经典通路
当细胞识别到病原体、细菌等刺激信号时，会组装形成一个多蛋白复合物——炎性小体，炎性小体能招募并激活Caspase-1。一方面，活化的Caspase-1 切割GSDMD的N端序列，形成孔洞，释放内容物，诱导焦亡发生；另一方面，活化的Caspase-1对IL-1β和IL-18的前体进行切割，促进其成熟并释放到胞外，造成炎症反应。
3.2.2依赖Caspase-4、5、11的非经典途径
在非经典通路中，人源的Caspase-4，5和鼠源的caspase-11，在细菌脂多糖（LPS）等信号的刺激下被激活，然后切割GSDMD，形成含有GSDMD氮端活性域的肽段，诱导细胞膜穿孔，细胞破裂，释放内容物。
焦亡核心分子机制
4.坏死性凋亡
4.1简介
坏死性凋亡（Necroptosis），最早于2005年提出，既不是坏死，又不是凋亡，是ICD的另一种形式。它是一种受调节的坏死形式，是一种防止细胞凋亡受阻而被激活的细胞自我破坏的过程。
4.2机制
坏死性凋亡不同于凋亡和其他形式的程序性细胞坏死，因为它不依赖于 caspase 活性。RIPK1、RIPK3 和 MLKL 是参与坏死性凋亡的主要分子。当caspase-8的活性被药物或病毒抑制剂阻断时，TNFR1、TLR等受体的刺激可诱导坏死性凋亡，涉及受体相互作用的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1（RIPK1）的磷酸化激活。RIPK3 在Ser227位点被磷酸化，此磷酸化为 MLKL激活所必需，MLKL作为RIPK1和RIPK3下游的效应蛋白发挥作用。MLKL磷酸化会诱导MLKL寡聚化并向质膜转位，并与磷脂酰肌醇相互作用，诱导膜通透和细胞破坏。
坏死性凋亡核心分子机制
协同抗肿瘤免疫反应
生物体在面对细胞内外各种刺激时，可以通过自噬、铁死亡、细胞焦亡和坏死性凋亡等作用抑制癌细胞的增殖。这种防御机制很大程度上是通过协同抗肿瘤反应实现的。具体而言，非凋亡RCD参与免疫细胞（抗肿瘤和促肿瘤效应细胞）的存活、分化、激活、转运和功能表现。同时，也可通过调节免疫反应来改变肿瘤的生长。
肿瘤微环境中T细胞和垂死的癌细胞之间的串扰
肿瘤微环境中巨噬细胞与垂死的癌细胞之间的串扰
1. 自噬协同抗肿瘤免疫反应
（1）自噬有助于抗肿瘤免疫，如先天免疫、抗原呈递、免疫细胞发育和抑制免疫逃避等。例如，线粒体自噬是响应多种刺激的选择性自噬形式，可去除受损的线粒体，抑制 I 型 IFN 的产生，并抑制炎症小体的活化，从而减少 IL1β 和 IL18 的产生防止线粒体衍生的 DAMP 的积累，如ROS 和线粒体 DNA (mtDNA)。
（2）自噬作为一种ICD，通过促进含ATP的溶酶体向质膜迁移来促进 ATP 分泌。由于ATP作为趋化信号的关键作用，当自噬在肿瘤细胞中丢失时，化疗药物将不太可能触发强烈的抗肿瘤免疫反应。除ATP外，来自细胞内和细胞外的其他信号也可通过自噬呈递给抗原呈递细胞 (APC)。
（3）自噬与T细胞的存活、活化、增殖、分化和功能密切相关。
（4）除了有助于T细胞的抗肿瘤免疫作用外，自噬还参与B细胞的发育、分化和抗体产生。研究表明，线粒体自噬是维持反应性 B 记忆细胞的存活和功能所必需的；缺乏线粒体自噬基因的小鼠会积累线粒体并经历氧化磷酸化和脂肪酸合成，导致B记忆细胞的丧失。
（5）自噬可以通过免疫检查点蛋白的降解影响癌细胞的免疫逃逸。例如，在乳腺癌模型中，表皮生长因子受体 (EGFR)/β1,3-N-乙酰氨基葡萄糖转移酶-3 (B3GNT3) 通路介导的 PD-L1 糖基化抑制 PD-L1 的自噬降解，导致肿瘤免疫逃逸。再如，结肠癌相关研究显示，酰基转移酶DHHC3诱导的PD-L1的棕榈酰化会抑制其自噬降解，导致免疫抑制和肿瘤生长。
2. 铁死亡协同抗肿瘤免疫反应
研究发现，铁死亡有助于CD8+T细胞的抗肿瘤作用，并影响抗PD-1/PD-L1免疫治疗的效果。目前，铁死亡已被确定为非小细胞肺癌、乳腺癌、胰腺癌、HCC和其他肿瘤致病细胞死亡的原因之一。因此，靶向诱导铁蛋白生成可能是一种新的癌症治疗策略。（内容详见铁死亡与癌症免疫治疗）
3. 焦亡协同抗肿瘤免疫反应
一方面，肿瘤细胞通过细胞焦亡途径通过释放危险信号促进CD8+ T细胞的募集。另一方面，CD8+ T细胞通过分泌可以裂解 GSDMB/D/E的GZMA和GZMB诱导癌细胞焦亡。GSDM 家族蛋白在抗肿瘤免疫反应中具有重要作用，炎症小体也是关键参与者。例如，在结肠癌相关研究中显示，NLRP3炎症小体可促进骨髓来源细胞和肠上皮细胞分泌IL-18，从而增强NK细胞和CD4+ T细胞的活性，保护肠细胞免受药物侵害。此外，焦亡细胞还可通过释放IL-6增加 CD8+ T细胞的细胞运输、分化和抗体产生，抑制Tregs分化和巨噬细胞死亡来促进适应性反应。
4. 坏死性凋亡协同抗肿瘤免疫反应
目前主要有两种策略可以通过坏死性凋亡触发抗肿瘤免疫：（1）坏死性凋亡细胞可以向DC 细胞释放DAMP，触发抗原呈递，从而激活细胞毒性 CD8+ T 淋巴细胞。（2）肿瘤微环境 (TME) 中的成纤维细胞通过坏死性凋亡通过 NF-κB 信号传导诱导强烈的免疫反应。
自噬、铁死亡、焦亡和坏死性凋亡在免疫原性细胞死亡中的作用
拮抗抗肿瘤免疫反应
尽管自噬、细胞焦亡、铁死亡或坏死性凋亡通常被认为有助于对肿瘤的免疫反应，但研究显示，包括 Treg 细胞、M2 巨噬细胞、MDSCs 等在内的免疫抑制细胞的存活、增殖、分化和活化也会受到这些RCD的影响。与此同时，免疫促进细胞受到几种RCD的负调控。此外，ICD 期间 DAMP 的释放除了刺激抗肿瘤免疫反应外，还会促进有利于肿瘤生长的炎症反应的发展。
1.自噬促进肿瘤细胞逃避免疫监视，导致对抗肿瘤免疫治疗的内在抗性。
2.在细胞焦亡过程中，炎症小体的激活可促进IL-18、IL-1β、IL-10等炎症因子的成熟和释放，抑制抗肿瘤免疫作用或引起炎症级联反应，从而在特定条件下促进肿瘤的发展。此外，IL-18能够诱导血管生成，从而导致肿瘤中迁移/侵袭增加和免疫逃逸。除了 IL-18，IL-1β 水平升高也与较差的预后、癌变和癌症侵袭有关。
3.在TME中发生铁死亡的一小部分细胞可能会抑制免疫系统。作为铁死亡的刺激物，除氧化应激外，ROS 在调节人类恶性肿瘤的免疫方面发挥着至关重要的作用。高ROS会抑制T 细胞的活化和增殖，而低 ROS 可以恢复 T 细胞的细胞毒作用。ROS可通过抑制T细胞中TCR和MHC抗原复合物的形成，从而抑制免疫反应。此外，包括CD8+ T 细胞、NK 细胞和 DC 细胞在内的许多免疫细胞对铁死亡敏感，通过抑制 GPX4活性来刺激铁死亡可以降低这些免疫细胞的特异性杀伤功能。
4.坏死性凋亡的诱导可以产生允许肿瘤生长的免疫抑制性 TME。例如，胰腺癌细胞的 RIPK3依赖性坏死性凋亡导致sin3A相关蛋白130 (SAP130) 的表达增加和趋化因子如 CXCL1和 CXCL5 的释放，导致免疫抑制细胞如MDSCs的募集形成免疫抑制性 TME 介导癌细胞的迁移和侵袭。此外，多项研究表明，通过坏死性凋亡从细胞中释放的 DAMPs可以募集炎症细胞并释放调节性细胞因子，如 IL-1α、IL-18 等，通过促进血管生成、癌细胞增殖和转移来引发炎症并促进肿瘤发展。
免疫治疗中的细胞死亡
1. 靶向自噬、细胞焦亡、铁死亡和坏死性凋亡的抗癌药物
靶向自噬、细胞焦亡、铁死亡和坏死性凋亡，开发新的抗癌药物用于临床应用是一个漫长的过程，目前的研究表明，已有多种通过诱导（或抑制）这些类型的非细胞凋亡RCD而发挥有效的抗肿瘤活性的药物获批临床应用（表2）。
自噬：氯喹衍生物焦亡：二甲双胍、花青素、紫杉醇、BRAF 和 MEK 抑制剂等铁死亡：索拉非尼、拉帕替尼等坏死性凋亡：紫草素等
表2
2. 免疫治疗中的自噬、细胞焦亡、铁死亡和坏死性凋亡
（1）鉴于自噬可能会拮抗抗肿瘤免疫反应，自噬抑制剂可能会增强免疫治疗的有效性并克服对免疫治疗的抵抗力。除自噬抑制剂外，自噬的诱导也可能增强ICIs的功效。
（2）铁死亡可以限制“冷“肿瘤中TAM和Treg细胞等免疫抑制细胞的功能，将免疫抑制性 TME 转化为富含抗肿瘤免疫细胞的炎症性TME。
（3）由于细胞焦亡增强了免疫细胞的肿瘤杀伤活性，因此它可能会提高ICIs作为细胞毒性淋巴细胞杀伤机制的功效。（4）坏死性凋亡诱导剂可以在抗肿瘤背景下与ICIs协同作用。
靶向自噬、铁死亡、细胞焦亡和坏死性凋亡免疫治疗
3. 化疗、放疗和靶向治疗中的 RCD
表3中总结了一些新型自噬、细胞焦亡、铁死亡和坏死性凋亡诱导剂/抑制剂、化疗、放疗和靶向治疗联合免疫治疗的临床试验。
表3
生信分析思路
1. 自噬与肿瘤免疫
文章标题：The Comprehensive Analysis Identified an Autophagy Signature for the Prognosis and the Immunotherapy Efficiency Prediction in Lung Adenocarcinoma
期刊：Frontiers in Immunology
IF: 8.786
研究思路：首先，作者使用自噬调控因子进行共识聚类分析，在确定了自噬聚类与免疫状态之间的相关性后，作者构建了ATscore。其次，作者在独立验证集中验证了该signature的预后预测价值。最后，作者在单细胞测序数据中证实了ATscore与肿瘤免疫状态的相关性并证实了ATscore在PD-1阻断治疗响应中的预测价值。
（内容详见 自噬与免疫的梦幻联动，你也能发7+）
2.铁死亡与肿瘤免疫文章标题：Integrative analysis of the molecular mechanisms, immunological features and immunotherapy response of ferroptosis regulators across 33 cancer types.
期刊：International Journal of Biological Sciences
IF：10.750
研究思路：作者共鉴定到30个铁死亡调控因子，综合分析了铁死亡调控因子在33种癌症类型中的转录水平差异和蛋白水平差异并构建蛋白-蛋白互作网络。铁死亡调控因子与癌症标志通路显著相关。基于GSVA计算铁死亡打分，铁死亡打分是独立预后因子，铁死亡打分-高组患者的生存较差。本篇文章的亮点在于作者全面分析了33种癌症类型中铁死亡调控因子的转录水平差异并构建铁死亡打分可以预测癌症患者的生存情况。
（内容详见 见过那么多铁死亡文章，终于有个汇总的了）
3.焦亡与肿瘤免疫文章标题：Pyroptosis-Related Signature Predicts Prognosis and Immunotherapy Efficacy in Muscle-Invasive Bladder Cancer
期刊：Frontiers in Immunology
IF：8.786
研究思路：该研究开发了一种新的预后模型，名为焦亡相关基因评分（PRGScore），该模型总结了与焦亡表型相关的免疫学特征、基因组改变和临床特征。样品高PRGScore显示增强CD8+T细胞效应功能，抗原处理机制和免疫检查点和更好的应对免疫治疗的程序性细胞死亡1（PD-1）和程序性细胞死亡配体1（PD-L1）抑制剂，表明PRGScore是一个有价值的识别人群敏感免疫检查点抑制剂的signature。
（内容详见 7+单细胞焦亡，仍然值得深挖）
4.坏死性凋亡与肿瘤免疫
文章标题：Necroptosis throws novel insights on patient classification and treatment strategies for hepatocellular carcinoma
期刊：Frontiers in Immunology
IF：8.786
研究思路：这篇文章基于坏死性凋亡相关lncRNA揭示了肝细胞癌的肿瘤异质性，区分了两种亚型，并进一步揭示了不同的临床结果、基因组景观、生物学行为和免疫特征等亚型间异质性的分子特征，为肝细胞癌患者的个体化治疗策略的肿瘤异质性提供了新的见解。(内容详见 坏死性凋亡lncRNA"推陈出新"第一篇)
生信分析需求
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参考文献
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发表于 2022-12-1 16:25:18