Trends Mol Med | 小胶质细胞-T细胞相互作用在脑癌进展中的 ...

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原创 huacishu 图灵基因 2022-09-17 10:37 发表于江苏
收录于合集#前沿分子生物学机制

撰文：huacishu
IF=15.272
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亮点：
1、作者回顾了T细胞-小胶质细胞相互作用的机制，并讨论了它们的合作如何促进脑癌的异质性和免疫抑制；
2、由于小胶质细胞和T细胞在脑肿瘤微环境中的重要性，了解它们之间的相互作用对于创新的治疗方法至关重要。




加拿大卡尔加利大学V. Wee Yong教授课题组在国际知名期刊Trends Mol Med在线发表题为“Microglia–T cell conversations in brain cancer progression”的论文。脑恶性肿瘤的高度免疫抑制和异质性环境导致其预后不佳。无论其细胞起源如何，脑肿瘤都生长在具有各种专门器官驻留细胞的环境中。尽管稳态小胶质细胞有助于大脑健康，但疾病相关小胶质细胞和T细胞之间的对话会损害它们抑制恶性生长个体的能力。





作者回顾了T细胞-小胶质细胞相互作用的机制，并讨论了它们的合作如何促进脑癌的异质性和免疫抑制。由于小胶质细胞和T细胞在脑肿瘤微环境中的重要性，了解它们之间的相互作用对于创新的治疗方法至关重要。

异质性—脑恶性肿瘤治疗的主要障碍
脑瘤是一组异质性疾病，包括中枢神经系统（CNS）内的胶质瘤和源自各种颅外肿瘤（如黑色素瘤、乳腺癌和肺癌）的脑转移。胶质母细胞瘤（GBMs）是原发性脑癌最常见和最具侵袭性的形式，尽管进行了积极的治疗，但癌症复发和死亡几乎是不可避免的。被诊断为脑转移的患者的生存率更差，通常以月为单位。

脑恶性肿瘤治疗失败的主要挑战源于肿瘤微环境的广泛异质性。脑肿瘤环境中的细胞在患者之间（肿瘤间异质性）和单个肿瘤内（肿瘤内异质性）显示基因组、表观基因组和微环境异质性。个体化药物和靶向治疗由于肿瘤内异质性而变得复杂，这影响了靶向治疗相关分子的选择。

肿瘤相关巨噬细胞（TAM）和T淋巴细胞是脑肿瘤微环境中最常见的免疫细胞。TAM群体在个体遗传学上可细分为至少三个主要亚群：小胶质细胞、源自骨髓祖细胞并在损伤后进入CNS的单核细胞源性巨噬细胞（MDM）和CNS边界相关巨噬细胞（BAM）。BAM位于中枢神经系统的边界，包括脑膜、血管周围和脉络丛巨噬细胞。

在这篇综述中，基于单细胞研究，作者破译了肿瘤和免疫细胞的极端异质性，并解释了不同的细胞程序如何促进癌症生长和抗肿瘤免疫。此外，作者还讨论了小胶质细胞和T细胞之间的协作如何驱动脑恶性肿瘤的免疫抑制和肿瘤内异质性。

脑肿瘤细胞的异质性
肿瘤细胞的表型特征与肿瘤的起源及其遗传和表观遗传改变有关。不同类型的脑癌具有不同的遗传和表观遗传驱动因素，导致各种异质性方案。作者在本文中主要关注GBM的细胞异质性，这是异质性脑肿瘤的典型例子。

通过癌症基因组图谱（TCGA）对GBM的批量表达分析确定了三种亚型——原神经（TCGA-PN）、经典（TCGA-CL）和间充质（TCGA-MES）（图1）。结合单细胞RNA测序和谱系追踪的综合技术表明，肿瘤细胞存在于数量有限的生物状态，类似于（i）神经祖细胞样（NPC样），（ii）少突胶质祖细胞样细胞（OPC样），（iii）星形胶质细胞样（AC样）和（iv）间充质样（MES样）状态（图1）。





与TCGA分类一致，最近的证据表明GBM蜂细胞程序之间存在过渡。例如，15%的肿瘤细胞表现出“混合”表型，其中AC样/MES样、NPC样/OPC样和AC样/OPC样是最常见的（图1）。此外，纵向研究证实GBM细胞程序随着肿瘤进展而变化。TNF-α对NF-κB等信号通路的激活驱动向MES样状态的转变。此外，GBM细胞作用于免疫调节分子（如PD-1的表达），激活GBM细胞中的NF-κB信号，并可能促进向MES样程序的转变。

脑肿瘤起始细胞的异质性
尽管各种GBM状态的细胞起源尚不清楚，但一种罕见的自我更新细胞群体，即脑肿瘤起始细胞（BTIC）或脑肿瘤干细胞被认为是肿瘤内异质性的原因。单细胞RNA测序表明，BTIC亚群在单细胞水平上差异极大。多样性沿转录梯度分布，跨越两个主要细胞程序：发育和炎症（图1）。炎症信号与MES相关基因如CD44、SERPINE1和TNFRSF1A的表达升高有关（图1）。此外，与炎症和免疫细胞激活相关的途径如NF-κB和STAT信号在炎症BTIC中表达丰富。

脑肿瘤微环境中免疫细胞的异质性
免疫亚群占据脑肿瘤中20-40%的细胞，其特征为TAM以及CD4+和CD8+T细胞。事实上，TAM和T细胞分别包括大约GBM中的免疫细胞的80%和10%。相比之下，脑转移瘤的淋巴细胞比例更高。尽管不同脑恶性肿瘤中免疫细胞的相对比例和分子活性差异很大，但单细胞研究揭示了共同的特征。

肿瘤相关巨噬细胞
如前所述，脑肿瘤中的TAM群体包括BAM、组织驻留小胶质细胞和MDM。BAM位于中枢神经系统和血脑屏障界面的非实质区域。迄今为止，关于BAMs在调节脑肿瘤生长和抗肿瘤免疫中的作用的报道有限。

小胶质细胞
小胶质细胞起源于胚胎卵黄囊中的祖细胞。它们是脑中最丰富的免疫细胞群。在脑肿瘤中，小胶质细胞可通过核心特征标记物（包括TMEM119、CX3CR1、JUN、P2RY12、GPR34、GPR84、OLFML3、HEXB和SAL1）进行鉴定。最近的高通量细胞表面染色已提出CD69、CD151和TMEM119用于人脑恶性肿瘤中的小胶质细胞鉴定。

单细胞分析表明，肿瘤微环境中存在显著的小胶质细胞异质性，通过增殖小胶质细胞从稳态到反应性表型的连续性（图2）。具有分支形态的稳态亚群分布在肿瘤周围，与肿瘤细胞的相互作用最小。目前尚不清楚稳态小胶质细胞是否在肿瘤发展中起作用。然而，由于它们的吞噬能力，它们可能有助于抗肿瘤功能。





肿瘤相关小胶质细胞表型涉及核心小胶质细胞基因的下调和老化相关基因（SPP1）、代谢基因（TREM2和APOE）、免疫相关基因（CD163、CD68、CD44、IL6、CSF2RA）和缺氧相关基因（VEGFA）的表达升高。肿瘤相关的小胶质细胞可分为三个主要亚群：（i）吞噬细胞，（ii）干扰素信号和（iii）缺氧小胶质细胞。

吞噬小胶质细胞参与细胞、碎片和富含脂质分子的吞噬。免疫细胞中的慢性IFN活化与免疫抑制程序有关；因此，具有IFN特征的小胶质细胞倾向于具有免疫抑制功能。最后，缺氧小胶质细胞可能代表由于代谢限制而抑制抗肿瘤免疫的细胞。小胶质细胞的异质性仍然存在许多开放性问题，例如不同亚群是否通过特定机制受到抑制，哪些亚型的小胶质细胞更容易重新激活其抗肿瘤功能，以及它们与肿瘤或其他免疫细胞的相互作用。

单核细胞源性巨噬细胞
循环单核细胞迁移到脑实质，并发展为MDM，以响应肿瘤进展。早期浸润的单核细胞较少受到肿瘤微环境的影响，因此，推测它们可能比分化的MDM具有更少的免疫抑制功能。在脑驻留后，单核细胞通过主要由肿瘤细胞控制的过程分化为巨噬细胞。在分化过程中，CCR2、FCN1、VCAN（人）或Ly6c2/Chil3（小鼠）的下调与巨噬细胞标志物如CD163、MERTK和C1QA的上调同时发生。

分化的MDM由亚群组成，包括吞噬/脂质、缺氧糖酵解、IFN信号、抗炎和小胶质样巨噬细胞（图2）。MDM在抑制性标志物如CD169、CD206、CD209、CD38和PD-L1/2的表达方面也是异质的。不同的MDM亚群可能对肿瘤形成有不同的影响，并使用不同的策略抑制或增强抗肿瘤免疫反应。

T细胞
T细胞在脑恶性肿瘤中也表现出异质性。CD8+亚群包括常规细胞毒性（表达GZMB和PRF1）、IFN信号（表达IFI6、ISG15和STAT5）和细胞毒性自然杀伤细胞（NK）（表达KLRB1、KLRC1、KLRC2、KLRC3和KLRD1）T细胞（图2）。CD4+T细胞亚群包括1型T辅助细胞（Th1）（表达TBX21、IFNG和IFIT2）、Th17（表达RUNX1、PALLD、DUSP4、HLADRA）、细胞毒性细胞（表达GZMA、PRF1、IL10、PDCD1）、IFN（表达IFI6、ISG15）和调节性细胞（表达FOXP3、CCR8、IL2RA、TIGIT、CTLA4）（图2）。

记忆T细胞在抗肿瘤免疫中也很重要，因为它们在树突状细胞治疗后的扩增与复发性GBM患者的更好生存率相关。脑肿瘤中的记忆T细胞分为原始、中枢记忆、效应器记忆、终末分化效应器记忆和非循环组织驻留T细胞。关于这些亚群在肿瘤进展中的功能的信息有限。

脑肿瘤环境中的大多数T细胞似乎在其抗肿瘤功能方面受到损害。此外，与其他免疫细胞亚群的相互作用可能是调节T细胞抗肿瘤免疫的关键机制。

脑肿瘤微环境中小胶质细胞与T细胞的相互作用
考虑到TAM的异质性和可塑性，阐明它们与T细胞的相互作用具有挑战性。最近使用空间转录组学和蛋白质组学等新工具进行的研究表明，脑肿瘤微环境中的小胶质细胞和T细胞之间存在接近性。提示小胶质细胞和T细胞之间的相互作用对肿瘤进展具有重要意义。作者在此讨论这一相互作用的两个主要结果，包括免疫抑制和脑肿瘤微环境中的肿瘤内异质性。

免疫抑制
转录组学研究表明，免疫抑制分子在MDM和小胶质细胞上的表达不同，这意味着这两个群体在抑制T细胞抗肿瘤免疫方面具有不同的能力。研究发现，小胶质细胞比MDMs具有更高的抑制T细胞增殖的能力。T细胞和小胶质细胞之间的协作导致免疫抑制分子如IL-10和PD-1的显著表达。此外，与从实验性GBM分离的小胶质细胞共培养后，细胞毒性T细胞中颗粒酶B和IFN-γ的产生减少。这些发现意味着小胶质细胞和T细胞之间的协作有助于脑肿瘤微环境中的免疫抑制。

脑恶性肿瘤中的TAM具有吸收肿瘤细胞或将抗原呈递给T细胞的能力。肿瘤细胞通过不同机制减弱小胶质细胞的T细胞刺激功能。例如，分泌因子如巨噬细胞抑制性细胞因子-1（MIC-1）、集落刺激因子1（CSF-1）、TGF-β、IL-33和Wnt诱导的信号蛋白1（WISP1）可消除TAM的抗肿瘤功能（图3）。此外，“不要吃我”信号，如GBM细胞上的CD47和CD24细胞，它们分别是小胶质细胞上信号调节蛋白α（SIRPα）和Siglec-10受体的潜在配体，可减弱小胶质细胞的吞噬能力（图3）。





除了吞噬功能受损外，肿瘤内小胶质细胞表达的MHC I类和II类少于正常大脑，限制了向T细胞的抗原呈递。然而，在脑肿瘤中发现了一个MHC-II高表达的小胶质细胞亚群。小胶质细胞上的MHC-II可能与T细胞上的LAG-3相互作用以抑制T细胞抗肿瘤功能。

这一假设与GBM微环境中浸润T细胞上TIM-3的高表达一致。T细胞和小胶质细胞通信的另一种分子机制是免疫检查点分子的表达，如PD-L1/2、VISTA、CLEC2D和CD80/86。这些分子与其各自受体或配体的相互作用会损害T细胞和小型胶质细胞的抗肿瘤活性（图3）。这些结果表明，尽管小胶质细胞和T淋巴细胞本身具有免疫抑制作用，但这两种细胞类型之间的相互作用提高了总的免疫抑制功能。

瘤内异质性
小胶质细胞和T细胞在GBM的MES状态中比在其他细胞状态中更丰富，这意味着小胶质细胞-T细胞相互作用可能参与驱动MES状态。TNF-α和肿瘤抑制素M是诱导GBM细胞MES样状态的两个因素（图3）。此外，共培养实验证实，小胶质细胞和T细胞相互作用后产生大量TNF-α。

长期暴露于IFN-γ促进了GBM细胞中髓系相关程序的获得（图3），该程序通过持续激活IFN应答基因如IRF8（IFN调节因子8），赋予了更高的逃避抗肿瘤应答的能力。此外，肿瘤微环境中IFN反应的慢性激活诱导调节性T细胞的累积。包括小胶质细胞和T细胞在内的TAM可能是脑肿瘤微环境中持续性IFN-γ信号的来源。然而，尚不清楚小胶质细胞和T细胞之间的协作如何促进GBM微环境中的慢性IFN-γ产生和其他炎症因子。

减轻小胶质细胞和T细胞的促肿瘤作用
作者在这里讨论可能影响T细胞和小胶质细胞及其相互作用的治疗方法，以及可用于未来治疗的策略（图3）。然而，由于脑肿瘤微环境中的TAM是异质性的，因此很难区分靶向小胶质细胞与其他TAM亚群的作用。因此，作者讨论了减少肿瘤微环境中T细胞和小胶质细胞之间合作的有害影响的直接和间接策略。

抑制TAM（包括小胶质细胞）渗入肿瘤微环境是缓解小胶质细胞和T细胞之间相互作用的一种方法。抑制性RGD肽阻断骨膜蛋白受体（αvβ3）可防止肿瘤支持性TAM浸润脑肿瘤。使用OPN-R3阻断骨桥蛋白也减少TAM的浸润。TAM耗尽后，在动物模型中观察到T细胞的抗肿瘤反应增强。需要更多的研究来确定阻断这些分子如何影响小胶质细胞的浸润，而不是MDM。

减轻T细胞-小胶质细胞相互作用的另一种间接策略是将小胶质细胞从免疫抑制状态切换到抗肿瘤状态（小胶质细胞编程）。通过Toll样受体（TLR）激活小胶质细胞可改善其抗肿瘤功能。除TLR配体外，表面分子如CSF-1受体（CSF-1R）的阻断可增强TAM的抗肿瘤功能。用CSF-1R抑制剂BLZ945对小胶质细胞进行体外和体内治疗，将其重新编程为具有更多抗肿瘤活性的表型。

阻断驱动免疫抑制表型的上游因子是重新编程小胶质细胞的另一种潜在方法。用小分子抑制剂如WP1066抑制STAT3可促进T细胞和小胶质细胞的抗肿瘤反应。操纵连接小胶质细胞与T细胞的表面抑制分子是重新激活小胶质细胞和T细胞抗肿瘤反应的另一种方法。单克隆抗体阻断免疫检查点分子如PD-1、PD-L1、PD-L2、CTLA-4、VISTA、CD161和LAG-3导致抗肿瘤免疫应答。

由小胶质细胞和T细胞产生的免疫抑制细胞因子，包括IL-10、TGF-β和IL-6，是引发抗肿瘤免疫应答的另一个可能靶点。值得注意的是，靶向单个分子通常不会给患者带来治疗优势，这突出表明免疫抑制是由多种过程的组合驱动的。最后，重要的是要注意到，大多数治疗都集中在TAM，目前还不确定这些药物如何具体影响小胶质细胞。

结论
肿瘤微环境的复杂性导致包括脑肿瘤患者免疫疗法在内的新疗法发展缓慢。过去十年中，尖端技术（如单细胞平台）的重大进展正在彻底改变我们研究肿瘤环境的能力。这些工具揭示了肿瘤内细胞的异质性显著高于先前认识到的异质性。这种广泛的肿瘤内异质性与疾病进展密切相关，并限制了对治疗的反应。因此，了解肿瘤内异质性将有助于精确治疗的发展。然而，不同免疫细胞亚群之间的异质性相互作用是引入新治疗工具的挑战。

越来越清楚的是，T细胞和小胶质细胞之间的相互作用对抗肿瘤免疫和肿瘤内异质性具有影响。在这种情况下，调节它们的相互作用有助于控制异质性和激活抗肿瘤免疫。然而，大脑中小胶质细胞-T细胞相互作用的操纵需要彻底了解它们的募集、激活、分化以及随着癌症进展的功能。值得注意的是，目前尚不清楚小胶质细胞和T细胞的不同亚群如何相互作用，以及这如何影响肿瘤微环境。这些问题可以通过使用小胶质细胞和T细胞表达荧光标记物的荷瘤动物体内活体成像来解决。此外，体内全基因组CRISPR筛查将有助于阐明小胶质细胞和T细胞之间异质相互作用的分子过程。最后，TAM亚群，特别是BAM与小胶质细胞或MDM在调节脑肿瘤免疫抑制和生长中的相对作用需要被描述和靶向治疗。

教授介绍





V.Wee Yong博士是卡尔加里大学的教授。他是卡尔加里霍奇基斯脑研究所多发性硬化（MS）神经团队的共同负责人，提供基础科学领导。Yong博士曾担任加拿大MS协会医疗咨询委员会主席，是7种国际期刊的编辑委员会成员，他是《神经免疫学和神经炎症杂志》的名誉主编。他曾担任国际神经免疫学学会主席（2014-2016年）。Yong博士是加拿大健康科学院（2010年）和加拿大皇家学会（2014年）的当选院士，这两个院士分别代表了医学和学术科学领域的最高荣誉。他因在多发性硬化症中的突破性发现而荣获2017年Allyn Taylor国际医学奖。杨博士的研究兴趣在于神经免疫学、神经保护和CNS再生领域。Yong博士发表了280篇同行评议的论文，他的研究已转化为MS、脊髓损伤和胶质母细胞瘤的III期临床试验。他的工作被其他作者引用超过18000次（科学网，h指数：76）。  

参考文献
Mirzaei R, Yong VW. Microglia-T cell conversations in brain cancer progression. Trends Mol Med. 2022;S1471-4914(22)00211-8. doi:10.1016/j.molmed.2022.08.006

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