2022-12-21

Nat Cell Biol | 工程化间充质干细胞递送IL-2重新激活CD8+ T细胞，恢复肿瘤免疫

原创 独木成林 图灵基因 2022-12-21 08:54 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学机制

撰文：独木成林

IF=20.042

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亮点：

1、为了研究肿瘤进展过程中T细胞状态的变化，研究人员从早期（肿瘤接种后第10天，T10）和晚期（肿瘤接种后第20天）的MC38荷瘤小鼠中分离出肿瘤浸润淋巴细胞（TILs），通过单细胞RNA测序分析出在早期和晚期占主导地位的T细胞簇, 进一步分析出IL-2信号通路在早期富集的T细胞簇中高表达，并通过实验验证了IL-2信号传递对成功发挥免疫检查点抑制（ICB）作用至关重要。

2、通过构建间充质干细胞( mesenchymal stem cells，MSCs )成功将IL-2蛋白二聚体( SIL2-EMSC )递送至TILs。SIL2-EMSCs可激活和扩增已存在的CD8+ TILs，并且工程化的骨髓间充质干细胞创造了先天免疫和适应性免疫的协同作用。在人源化小鼠模型中也观察到SIL2-EMSC的治疗益处。总的来说，SIL2-EMSC恢复了CD8+TILs，从而增强ICB和化疗的治疗效果。

2022年12月6日，通讯作者为来自德克萨斯大学西南医学中心的研究人员 Jian Qiao和Yang-Xin Fu在《Nature Cell Biology》发表了题为“IL-2 delivery by engineered mesenchymal stem cells re-invigorates CD8+T cells to overcome immunotherapy resistance in cancer”的文章，文章揭示了内源性IL-2在ICB反应性中的重要作用，以及随着肿瘤进展，IL-2信号不足和T细胞耗竭之间的相关性。此外研究人员通过成功将SIL2-EMSC递送至TILs，发现其可以扩增TILs，并且SIL2-EMSC联合ICB和化疗具有协同抗肿瘤作用。

免疫检查点( checkpoint)是指在免疫细胞上表达，能调节免疫激活程度的一系列分子，对防止自身免疫起重要作用。肿瘤细胞会表达一些物质来激活免疫检点，免疫检查点一旦被激活，会使得肿瘤被认定为正常细胞，肿瘤抗原不能被提呈至T细胞，从而使肿瘤细胞逃离T细胞的免疫监视，存活下来。ICB可以使TILs重新识别“非己”的肿瘤细胞，发挥肿瘤免疫作用。基于ICB的免疫治疗依赖于TILs，但在其中发挥关键作用的细胞因子尚不太清楚。

图1：IL-2不足的晚期肿瘤限制了CD8 + TIL的扩增，而IL-2信号对ICB应答至关重要

为了研究肿瘤进展过程中T细胞状态的变化，研究人员从早期（肿瘤接种后第10天，T10）和晚期（肿瘤接种后第20天）MC38荷瘤小鼠中分离TILs，通过单细胞RNA测序鉴定了6个T细胞聚类（图1a）。簇1在晚期T20中占主导地位，而簇2在早期T10中显著富集（图1b）。耗竭相关基因在簇1中高表达，而干细胞样相关基因在簇2中富集；且在簇1中IL-2和IL-2受体表达上调，而簇2中IL-2下游的stat5a 和stat5b表达上调（图1c）。

IL - 2是第一个被美国食品药品监督管理局批准用于治疗转移癌患者的细胞因子。有研究表明IL - 2可以支持淋巴组织和肿瘤组织中的T细胞。然而，IL - 2如何以及在何处支持肿瘤微环境内的T细胞仍有待确定。由于簇1和簇2分别在早期和晚期肿瘤中显著富集，研究人员接下来分析了这两个簇的差异表达基因。簇1高表达Tigit、Pdcd1和Hif1a，簇2富集了Tcf7和Ifngr2（图1d）。随着肿瘤的进展，CD8+ TILs的总数减少（图1e）。而在晚期肿瘤中，CD8+ TILs中的STAT5磷酸化水平（图1f）和IL-2蛋白水平（图1g）表达降低，提示在晚期IL-2的表达降低与CD8+ TILs的数量减少存在相关性。

为了检测IL-2信号通路是否对ICB治疗至关重要，荷瘤小鼠接受了抗PD-L1和抗IL2Rβ的治疗，两种治疗联用时单独抗PD-L1的抗肿瘤作用被完全消除(图1h), 经抗IL2Rβ治疗后，肿瘤中的T细胞总数减少（图1i），且与CD4+ T细胞和Treg细胞相比，CD8+T细胞的减少更为显著（图1j）。以上数据表明，生长中的肿瘤可能会限制IL-2的产生及其对CD8+ TILs的激活，以逃避宿主的免疫反应，而IL-2信号传递是成功的ICB所必需的。

因此，研究人员推测外源性IL-2能使TILs恢复活力，克服ICB抗性。研究人员生成了野生型IL-2（WTIL2）和超级IL-2突变蛋白（SIL2），实验结果表明SIL2比WTIL2具有更好的抗肿瘤疗效（图1k），SIL2处理扩增了CD8+TILs（图1l）和干细胞样耗尽的CD8+T细胞（TSLE：Tcf1+PD1+TIM3−TOX+ CD44+ CD8+）（图1m）。这表明将SIL2传送到TME对于达到预期的抗肿瘤疗效至关重要。

图2：用于诱导IL-2的工程化的MSC可以产生优越的抗肿瘤活性，并克服ICB耐药性而无毒性

由于骨髓间充质干细胞具有肿瘤趋向性，已经有许多研究探索了它们的肿瘤治疗能力。醌氧化还原酶1（NQO1）和缺氧反应元件（HRE）均可促进肿瘤免疫，同时含有HRE和NQO1的MSC具有良好的抗肿瘤作用（图2a-e）。研究人员设计了作为一种允许靶向SIL2递送到TILs的MSC细胞疗法（SIL2-EMSC），SIL2-EMSC和抗PD-L1联用可以有效减小肿瘤体积，提高荷瘤小鼠的生存期（图2f-g）。

为了检测其抗肿瘤活性和潜在毒性，研究人员比较了单纯注射SIL2蛋白和注射SIL2-EMSC的疗效，结果显示注射SIL2蛋白导致血清和非肿瘤组织中SIL2水平显著升高，而在SIL2-EMSC治疗后，SIL2在肿瘤中优先富集（图2h，i）。在SIL2蛋白处理的小鼠中，SIL2的全身渗漏导致了血清中炎症细胞因子IFN-γ的增加（图2j）和体重的减轻（图2k），以上结果提示SIL2-EMSC治疗能有效防止不良毒性。

图3：SIL2-EMSC治疗激活并增加了已存在的CD8+ TILs的抗肿瘤活性

为了研究了SIL2-EMSC是否能诱导髓系细胞重编程，研究人员在Rag1敲除的免疫缺陷小鼠中进行SIL2-EMSC治疗，结果显示治疗作用被完全消除，表明适应性免疫对SIL2-EMSC治疗至关重要（图3a）。CD4+ T细胞和自然杀伤（NK）细胞的消耗并不影响SIL2-EMSCs的抗肿瘤作用（图3b），相比之下，CD8+ T细胞的消耗完全消除了抗肿瘤疗效（图3c），提示CD8+T细胞在SIL2-EMSC治疗发挥关键作用。

为了确定通过SIL2-EMSC处理扩大的T细胞群，研究人员分析了EMSCs或SIL2-EMSCs处理后的TILs，结果显示SIL2-EMSC治疗显著增加了肿瘤特异性CD8+ T细胞，而非Treg细胞（图3d-i）。使用FTY720处理小鼠可以阻止淋巴细胞从外周血淋巴组织向TME的运输，FTY720治疗并没有降低SIL2-EMSCs的抗肿瘤疗效（图3j），提示SIL2-EMSCs的治疗作用依赖于已存在的CD8+ TILs。

图4：SIL2-EMSCs重塑了TME，使耗竭的CD8+ TILs重新焕发活力

由于先前观察到晚期的TME中IL-2表达下降且伴有T细胞的耗尽（图1），因此研究人员进一步探究SIL2-EMSC是否可以改变CD8+ TIL亚群。经过SIL2-EMSC处理后，通过流式细胞术分析了各亚群的表达变化（图4a-f）。为了确定SIL2-EMSCs对每个CD8+ TIL亚群的影响，研究人员从肿瘤中分离出3个亚群，并在SIL2存在的条件下与辐照肿瘤细胞进行共培养（图4g），SIL2诱导了所有亚群的增殖，但其增殖程度不同（图4h）。PD1+TIM3−和PD1+ TIM3+亚群在SIL2处理后出现IFN-γ的产生增加（图4i）。

此外，SIL2-EMSC增加了分泌IFN-γ的CD8+ T细胞的数量（图4j），表明SIL2-EMSC可恢复CD8+ TILs。在使用过继T细胞联合SIL2-EMSC治疗下，肿瘤的大小得到显著的抑制（图4k）。80%过继的PD1+TIM3−细胞转化为PD1+ TIM3+细胞，这表明大部分过继的T细胞在进入TME后被耗尽，这可能导致有限的抗肿瘤反应，而SIL2-EMSC可有效减少这种转化现象（图4l）。

图5：SIL2- EMSC通过扩增穿过引流淋巴结（DLN）的TIL来控制远端肿瘤

研究人员接下来探究SIL2- EMSC局部治疗是否会影响全身的抗肿瘤反应，因为术前的新辅助治疗可以产生针对转移的全身免疫反应，因此研究人员在术前对T1乳腺癌细胞荷瘤小鼠进行EMSC或SIL2- EMSC治疗，术后5天，取肺并定量测定转移性结节（图5a）。术前SIL2-EMSC治疗可以扩增TIL，达到显著的抗肿瘤效果，而该治疗作用会被 FTY720回复（图5b-f），提示受SIL2-EMSC调控的TILs可以移动到DLN以对抗肿瘤转移。

为了明确SIL2-EMSC能否诱导远隔效应，研究人员将MC38肿瘤细胞先从皮下注射在右侧，两天后，在左侧注射额外的肿瘤细胞，在右侧注射EMSC或SIL2 -EMSC (图5g )。结果显示SIL2-EMSC局部治疗不仅显著降低了原发肿瘤的生长，而且对继发肿瘤也产生了系统的抗肿瘤反应(图5h )。用MC38肿瘤细胞重新攻击治愈的小鼠，发现所有SIL2-EMSC处理的小鼠均自发排斥肿瘤(图5i )。

图6：SIL2-EMSC与β-lap化疗具有协同作用，联合治疗可达到显著的抗肿瘤效应

β-拉帕酮（β-lap）是一种NQO1生物激活药物，可被肿瘤细胞吸收，由细胞内NQO1催化，诱导肿瘤DNA损伤，激活DNA感应，以抗肿瘤免疫。后续联合SIL2-EMSC和β-lap治疗在先天免疫和适应性免疫过程中发挥了协同作用，显著减小了不同荷瘤小鼠的肿瘤体积。

图7：SIL-EMSC治疗可在人源化小鼠模型中抑制结肠癌的生长

为了测试SIL-EMSC具有更多临床抗肿瘤意义，研究人员建立了一个人源化小鼠模型，实验结果表明SIL-EMSC治疗可在人源化小鼠模型中抑制结肠癌的生长，在联用ICB或β-lap时，抗肿瘤效果更好。

综上，该研究结果表明，随着肿瘤的进展，IL-2信号传导不足、TIL扩张减少和TIL的终末衰竭将占主导地位。骨髓间充质干细胞可以被适当地设计来传递先天和适应性免疫调节剂，以提高抗肿瘤免疫，克服ICB耐药性，而不增加全身毒性。这种细胞疗法可以作为未来其他分子或细胞治疗癌症的补充，具有重要的临床治疗意义。

教授介绍

傅阳心教授于1990年获得美国迈阿密大学医学微生物学和免疫学博士学位。1994-1998任华盛顿大学住院医师，1998-2005任芝加哥大学助理教授、病理系主治医师及免疫委员会成员。2005年晋升芝加哥大学终身教授，随后荣获冠名教授。2015年任德州大学西南医学中心病理系冠名教授。2021年全职回清华大学任教，现任清华大学医学院讲席教授。

傅阳心教授在临床和基础医学研究领域都具有重大创新，现已在Science，Nature，Nature Medicine等领域内顶尖学术刊物发表260多篇高水平的学术研究论文，文章被引用次数超过45000余次。傅阳心教授在肿瘤免疫学领域具有很高的声望，研究靶向药物、局部辐射、肿瘤靶向抗体对肿瘤微环境，免疫系统的调控机制，发展免疫协同治疗新策略，很多已经应用于不同阶段的临床试验，展现出了极大的应用前景和价值。

参考文献

Bae J, Liu L, Moore C, et al. IL-2 delivery by engineered mesenchymal stem cells re-invigorates CD8+ T cells to overcome immunotherapy resistance in cancer. Nat Cell Biol. 2022