重塑系统性肿瘤免疫环境（STIE）和肿瘤免疫微环境（TIME）以增强实体瘤的免疫治疗效果

今天和大家分享一篇于2022年7月在Journal of Hematology & Oncology上发表的文章"Reshaping the systemic tumor immune environment (STIE) and tumor immune microenvironment (TIME) to enhance immunotherapy efficacy in solid tumors"。基于肿瘤免疫微环境（TIME）调节机制的联合免疫疗法的发展是目前有希望的治疗手段。然而，对肿瘤免疫学的深入理解必须涉及系统性肿瘤免疫环境（STIE）。这篇文章通过回顾单细胞转录组学和空间转录组学的最新进展，以研究 STIE、TIME 及其相互作用，这可能揭示免疫治疗反应的异质性以及对治疗效果至关重要的动态变化。此外，还回顾了与 TIME、STIE 相关的临床前和临床研究的证据，以及它们通过不同的免疫调节途径（如代谢和神经免疫学途径）对总生存期的意义，以及局部放疗和全身免疫治疗或联合免疫治疗后的变化。这篇高分综述重点回顾了肺癌、肝细胞癌和鼻咽癌的证据，旨在重塑 STIE 和 TIME 以提高免疫治疗效果。结构清晰，逻辑严密，我们一起来学习一下吧~

一、研究背景

过去，肿瘤免疫学研究主要探索细胞群水平的基因组/转录组谱或检测肿瘤组织中少数分子的表达。然而，由于系统性肿瘤免疫环境（STIE）和肿瘤免疫微环境（TIME）的高度异质性、复杂性和可塑性，这些策略并不能完全描述各种细胞类型的功能或表征恶性肿瘤免疫过程所涉及的变化。

事实上，癌症进展及其对治疗的反应也会受到全身肿瘤免疫环境（STIE）的影响，即宿主的整体免疫（宿主抗肿瘤免疫的宏观环境）。STIE与TIME 一起确定了宿主对免疫疗法的反应。最近发表在Nature Review Cancer上的一篇文章基于小鼠模型的数据描述了这种系统性癌症免疫（STIE），重点是系统性癌症免疫中的免疫细胞交通，将 STIE 与淋巴器官（系统）连接起来。本综述旨在通过使用现代技术（如单细胞技术和空间转录组学）在患者和整个肿瘤的背景下说明TIME和STIE的协同效应，并强调了面临癌症免疫治疗的主要挑战。此外，还进一步评估了癌症局部放化疗、靶向治疗对全身治疗的免疫调节作用，以探索重塑TIME和STIE以提高肿瘤免疫治疗疗效的策略。

二、TME、TIME以及STIE

图1 STIE 和 TIME 的关系

实体瘤是一种高度复杂的组织，包含高度异质的癌细胞。由免疫细胞、基质细胞、血液/淋巴管、神经末梢和细胞外基质形成的肿瘤微环境 (TME) 含有各种信号分子，这些信号分子作为免疫调节因子不断重塑微环境局部免疫。肿瘤免疫微环境 (TIME) 由免疫系统的不同细胞群及其在 TME 生态中的相互作用的免疫细胞和免疫调节因子组成，因其在致癌、癌症进展和对治疗的反应过程中的关键作用而闻名。TIME可分为浸润-排除型（“冷肿瘤”，CD8 T细胞被排除在肿瘤中心之外），浸润-发炎型（“热肿瘤”，肿瘤中PD-L1的表达增加和表达 GRZB、IFNγ的高度活化的CD8 T细胞），以及三级淋巴结构 (TLS)型（肿瘤中存在类似淋巴结一样的TLS，包含B细胞、树突状细胞和Treg细胞）。STIE主要由循环血液和淋巴管控制，由免疫调节分子和免疫细胞组成，在原发肿瘤部位与远处器官和宿主免疫器官（如骨髓和淋巴结）之间的通讯中起着重要作用。

TIME 和 STIE 之间存在广泛的相互作用（图1）。STIE与TIME密切相关，通过肿瘤内的毛细血管和淋巴引流系统相整合联系。携带免疫调节因子和免疫功能细胞的淋巴管和血管的循环是TIME和STIE之间的直接联系。肿瘤可以借助来自STIE的免疫细胞通过血液或淋巴管侵入，肿瘤浸润到血液或淋巴管后，STIE 内的免疫细胞进入TIME，促进肿瘤细胞的转移。STIE 和 TIME 的组成非常复杂，涉及各种途径和机制，并因原发肿瘤类型而异。TIME 中的大多数细胞和分子成分也存在于 STIE 中，其水平与 TIME 相似、更高或更低。需要注意的是，目前对STIE细胞分子水平的研究非常有限，尤其是与 TIME 相比。而免疫疗法的疗效在很大程度上取决于 STIE 和 TIME 的状态。重塑TIME和STIE以增强抗肿瘤免疫，逐渐成为了肿瘤治疗的新策略，为癌症研究领域带来了根本性的变化。

三、STIE 和 TIME 对免疫治疗疗效异质性的影响

图2 免疫调节剂IDO对STIE和TIME的作用

PD-1/TGF-β1/IDO在STIE中对TIME和肿瘤对PD-1抑制剂免疫治疗反应

最近的一项研究中全面强调了STIE对癌症免疫治疗疗效的重要影响，证明了STIE在癌症免疫治疗中的关键作用：在给予有效治疗后不久，全身免疫激活明显；在肿瘤排斥/根除过程中，只有全身外周免疫细胞维持其增殖；在对免疫治疗有反应的患者中，突现外周CD4 T细胞的群体显著扩增，这强调了驱动肿瘤消退的系统免疫反应的至关重要。STIE的循环免疫调节因子也被研究作为预测临床治疗结果的生物标志物。这种效果在临床研究中经常得到证实。例如，即使患有相同类型的癌症，PD-1/PD-L1、TGF-β1和IDO1的表达状态在个体之间也存在差异。事实上，血浆 sPD-L1 水平与肿瘤患者的临床结果相关，并可能作为接受 ICI 治疗的 NSCLC 患者 OS 的预测生物标志物。TGF-β1作为对TIME和STIE的多重作用的免疫抑制因子，在免疫调节中起着关键作用，也可能是肺癌中肿瘤进展和存活的生物标志物。IDO是一种著名的免疫抑制免疫检查点分子，能催化色氨酸分解为犬尿氨酸，其在STIE中的表达也具有异质性。各种IDO抑制剂已在癌症免疫治疗的临床试验中尝试。图2显示了IDO在TIME和STIE上的多重角色。据报道，IDO活性标记物可作为非小细胞肺癌（NSCLC）患者治疗结果的预测指标。此外，循环血液中较高的IDO活性揭示了肺癌患者对PD-1抑制剂免疫治疗的抵抗，这表明PD-1抑制剂免疫治疗联合IDO抑制剂对IDO较高的患者具有潜在的益处。在接受明确放疗的早期NSCLC患者中，IDO活性升高与不良生存结局相关。这些临床数据证明了STIE免疫调节因子在患者和治疗结果方面的预测和预后潜力。

图3 脑转移瘤的部位和STIE、TIME

PD-1抑制剂与脑转移的时间和部位

癌症转移是与癌症死亡率相关的主要问题，脑转移癌（BRM）约占实体瘤患者癌症转移的20%。一旦患者发生BRM，其预后通常较差，平均生存时间不到6个月。目前，手术、化疗和放疗是BRM患者的主要治疗方法，但大多不能治愈。由于上述治疗方法的毒性和副作用在脑组织中普遍存在，PD-1抑制剂免疫疗法为更有效地治疗BRM患者提供了一种新的方法。但由于患者脑转移癌TIME和STIE的异质性和免疫抑制微环境的存在，免疫治疗的总体有效率仍然较低。并且，通过血脑屏障进行免疫治疗的具体机制尚不清楚。推测可能是通过免疫细胞及其分泌的免疫调节因子如TGF-β1、IDO1，癌症通过STIE与TIME之间的联系发生了脑转移癌（图3）。事实上，需要进一步研究TIME和STIE免疫细胞在脑转移瘤中的分布和功能的调节机制，以提供一种提高免疫治疗效果的方法。

STIE/TIME 癌症干细胞（CSC）及其对 PD-1 抑制剂的反应

在PD-1抑制剂治疗后，癌症的消退和进展显然是在STIE的协同调节下癌细胞和TIME免疫细胞之间复杂相互作用的结果。肿瘤干细胞是肿瘤中一类维持自我更新并可分化为其他肿瘤实质细胞的特殊细胞，也可通过减弱免疫监视作用间接促进肿瘤发展。CSC可长期处于休眠状态，具有自我更新能力和可塑性，可产生异质性肿瘤细胞，促进肿瘤复发和转移。研究表明，在乳腺癌、结肠癌、头颈部鳞状细胞癌和肺腺癌中，CSC表达高水平的PD-L1，并通过与T细胞上的同源受体PD-1结合而诱导T细胞凋亡。与非CSC富集患者相比，CSC富集患者富集更多的PD-L1。目前，靶向Notch、Wnt、Hedgehog和Hippo信号通路可抑制CSC，并已开展了多项临床试验。PD-1抑制剂免疫治疗联合靶向CSC治疗提高了抗肿瘤治疗的效果，提示CSC是PD-1抑制剂免疫治疗失败的潜在因素之一。然而，CSC如何导致PD-1抑制剂免疫治疗失败尚不清楚。由于CSC导致肿瘤免疫微环境的高度异质性，单细胞多组学研究是及时检测CSC作用的理想技术。

PD-1抑制剂治疗后超进展疾病的STIE和TIME

超进展性疾病 (HPD) 是指免疫治疗后肿瘤病灶体积不减少而是增加的状况，与治疗前相比，疾病进展更快（通常至少两倍）。除了应答率低之外，PD-1抑制剂免疫治疗诱导的HPD是单用免疫治疗的另一个挑战。在接受PD-1抑制剂免疫治疗的肿瘤患者中，4-29%的患者发展为HPD。目前尚不清楚PD-1抑制剂免疫治疗期间哪些因素会导致 HPD。一项研究发现，患有HPD的癌症患者的样本中含有更多的肿瘤相关巨噬细胞。有人提出TIME中的Fc受体（巨噬细胞等细胞表面的抗体Fc受体）可能参与了这一过程。可能的机制是检查点抑制剂与巨噬细胞上的这种 Fc 受体结合，然后抑制巨噬细胞向M2亚型的极化，从而促进肿瘤生长。

PD-1抑制剂治疗的STIE、TIME和副作用

PD-1抑制剂免疫治疗可引发不良的自身免疫反应，称为免疫相关不良事件（irAE），其特征是T细胞在皮肤、结肠、肝脏、肺和内分泌器官等多个器官中浸润。IrAE 显着影响癌症患者的生存时间和生活质量。STIE 中的细胞因子对 irAE 起关键作用，其重要性可以通过PD-1抑制剂免疫治疗后的致命炎症反应细胞因子释放综合征 (CRS) 来说明。CRS患者可出现低血压、发热、头痛、恶心、腹泻等临床症状，严重者可出现脑病、低血压、缺氧、肝功能障碍、凝血功能障碍等。随着免疫疗法的发展和广泛使用，越来越多的接受免疫疗法的肿瘤患者报告有CRS的经历。目前，在PD-1抑制剂的广泛使用下，PD-1抑制剂免疫治疗诱发CRS的研究较少。有必要进行相关研究去揭开潜在的irAE 的免疫相关风险因素（STIE、TIME特征）。

四、重塑 STIE 和 TIME 的治疗策略

图4 各种治疗重塑STIE和TIME

用局部放疗重塑STIE和TIME

放射疗法是触发免疫反应的最强治疗方式之一。局部放疗可以通过多种生物学机制改变TME和TIME，调节STIE。从癌症免疫步骤来看，放射治疗至少可以通过以下相应步骤来调节 TIME 和 STIE：（1）杀死肿瘤细胞以产生免疫原性肿瘤新抗原，（2）改变细胞表面分子以促进抗原呈递，（3）调节免疫效应细胞，（4）诱导免疫调节细胞因子的产生以将免疫有效细胞吸引到肿瘤部位，（5）帮助免疫细胞渗透到肿瘤组织中，（6）打开CSC 和 TIME 之间的通讯，以及 (7) 诱导免疫调节分子如 TGF-β1 和 IDO 的产生。图4展示了放疗后“冷”免疫环境向“热”免疫环境的转变。适当剂量的局部放疗可以刺激TIME中CD8 T细胞的肿瘤抗原，并通过 STIE 对远端部位产生进一步的影响。的确，放疗可以激活抗肿瘤免疫反应，与放疗联合已成为提高PD-1抑制剂免疫治疗效果的重要途径之一。从机制上讲，放疗联合 PD-1 抑制剂免疫治疗可以通过各种生物学原理调节免疫功能，包括激活 IFN-β、增加外周血中 CD8+ T 细胞的活性，并产生异位效应。放疗对 STIE 和 TIME 的具体重塑功能。一般来说，放射治疗会破坏免疫细胞浸润并在 TIME 诱导新发炎症。从理论上讲，放射治疗对“冷”时间而不是“热”时间的患者有益，因为放疗可能会损害现有的 CD8+ T 细胞。此外，放疗可以促进肿瘤中PD-L1的表达，并通过CD8+ T细胞等循环免疫细胞触发STIE的活性。

用免疫疗法重塑TIME和STIE

免疫疗法可以改变 STIE 和 TIME。T 细胞的功能在免疫疗法重塑 STIE 和 TIME 的过程中至关重要。T 细胞耗竭目前是一个主要障碍限制了基于 T 细胞免疫疗法的功效。有三个潜在原因可以解释有效 PD-1 抑制剂治疗后肿瘤特异性 T 细胞前体细胞的增加：耗尽的CD8 T细胞的逆转；肿瘤免疫微环境 (TIME) 中预先存在的前体细胞的扩增；来自 TIME 之外的 T 细胞（例如STIE)。在 PD-1 治疗反应组中，衰竭 T 细胞的逆转可能并不丰富，因为先前的小鼠研究表明，衰竭 T 细胞的表观遗传修饰和特征是稳定的且难以改变。尽管 PD-1 可以重振疲惫的CD8 T细胞，但这种免疫疗法无法修正与衰竭相关的表观遗传印记。在临床实践中，T 细胞耗竭是 PD-1 和嵌合抗原受体 (CAR)-T 细胞治疗的主要限制因素。有研究者设计了一种药物开关来调节 CAR 信号以暂时抑制 T 细胞活性，这有助于防止 CAR-T 细胞耗竭，并能够有效提高 CAR-T 细胞在小鼠模型中的抗肿瘤活性。此外，将 PD-1 抑制剂与 CAR-T 免疫疗法相结合可以帮助逆转CD8 T细胞的作用。

通过化学疗法，靶向疗法或联合疗法重塑STIE和TIME

癌症治疗可以重塑STIE和时间，反过来又会影响后续免疫治疗的疗效（图4).化疗等全身治疗方法也可以将“冷肿瘤”转变为“热肿瘤”。全身治疗后的重塑显然是复杂的，并且因肿瘤类型而异。化疗对高增殖细胞具有广泛的细胞毒性作用，尤其是对造血和免疫系统。化疗也会因免疫细胞的细胞毒性而影响PD-1抑制剂治疗。通过小分子抑制剂进行的靶向治疗主要作用于快速生长的肿瘤细胞。与化疗相比，靶向治疗抑制肿瘤生长而不会对免疫系统产生不利影响，使其成为与PD-1抑制剂联合治疗的潜在选择。对于联合免疫治疗，一项关于肺癌肿瘤模型的临床前研究显示，IDO抑制剂与放疗联合治疗可降低PD-L1和Treg的表达，并促进TME中树突状细胞的成熟。这说明联合治疗可以增强T细胞的活性，促进抗肿瘤免疫。在一项肺癌异种移植小鼠模型的研究中，虽然单纯放疗增加了Treg和细胞毒性T细胞的浸润，但联合放射治疗和PD-1抑制剂免疫治疗可以有效抑制肿瘤进展，增加CD8+T细胞，减少MDSC和Treg。

五、TIME 和 STIE 研究中的单细胞和空间转录组学

下一代测序（NGS）技术增强了我们对基因组对恶性肿瘤细胞影响的认识，但是TIME细胞成分共同促进了致癌作用，无法准确剖析每个 TIME 细胞成分的个体效应。单细胞多组学可以更好地分析癌症患者TIME的空间细胞分布特征与基因转录表达之间的关系，以及它们在免疫治疗过程中的动态变化。单细胞 RNA 测序 (scRNA-Seq) 可以表征每个单个细胞的转录组，并揭示给定样本中的细胞亚群（TIME 为肿瘤组织，STIE 为血液样本）。然而，在 scRNA-Seq 必要的组织解离步骤中，单个细胞的分离破坏了它们在原始组织中的空间定位以及它们彼此之间的密切信息。而这种类型的空间信息对于理解正常组织和患病组织之间的细胞间通讯至关重要。空间转录组学测量组织样本中的所有基因活动并绘制活动发生的位置，这可以帮助我们更好地了解基因表达与肿瘤组织内细胞定位之间的关系，提供单细胞基因组学所遗漏的知识。因此，将单细胞转录组与空间转录组相结合的策略有可能更精确地定义 TIME 及其对癌症治疗的反应。更重要的是，这两种技术的结合甚至可以在TIME中恢复新小区组的位置。需要对许多癌症患者进行进一步研究，以深入了解 STIE 和 TIME 的异质性以及治疗后的动态变化，这两者都有助于促进精准联合免疫治疗以改善治疗结果。

六、结论

总之，PD-1抑制剂免疫治疗面临着诸如总体低应答率，过度进展性疾病，对脑转移的了解有限以及严重的irAE等瓶颈。单细胞转录组和空间转录组技术可用于研究PD-1抑制剂治疗前后STIE与时间的异质性和编排，代谢神经通路对TIME的影响，对免疫微环境的总体影响以及传统癌症治疗 (如免疫调节放疗) 的个体效应。研究肿瘤原位和转移部位的TIME以及血液中的STIE，为肿瘤进展和整体癌症治疗的机制打开了一扇大门。寻找STIE和TIME的关键因素可以确定提高PD-1抑制剂治疗效率的途径。随着更多临床试验的继续，放射治疗和免疫治疗的有效结合将继续取得巨大突破。需要更多的STIE和TIME相关研究的试验证据来确定治疗的顺序和时机，以获得最大的临床益处。

原文转自：医学僧的科研日记(ID:zzudoctor)