腫瘤雖然長在特定的組織和器官，但是它的「負能量」非常大，甚至能影響全身。
前不久，加州大學舊金山分校Matthew H. Spitzer領銜的研究團隊，在著名期刊《自然·醫學》上發表的研究成果表明[1]：腫瘤對免疫的破壞能力不局限於腫瘤微環境本身，還會對全身的免疫系統造成廣泛和可變的破壞；不過這種全身性的免疫壓制，可以通過手術切除腫瘤實現逆轉。
這個研究成果對如何以及何時給癌症患者開展免疫治療有一定的指導意義。
▲論文截圖
免疫治療大家都不陌生了，它的出現改變了很多癌症患者的命運。不過，要想讓更多的患者從免疫治療中獲得益處，科學家仍需更廣泛地了解制約癌症免疫反應的因素。
從當前的免疫治療模式來看，治療的思路主要聚焦在腫瘤內的殺傷性T細胞上，但是近年來已經有很多研究表明，腫瘤微環境內殺傷性T細胞的功能障礙是不可逆轉的[2]，而全身性抗腫瘤免疫反應對免疫治療效果至關重要[3，4]。
不過，目前還缺乏關於癌症發展如何影響全身免疫狀態的全面研究。
為了更全面、系統、深入和動態地了解腫瘤的進展對全身免疫系統的影響，Spitzer和他的同事首先利用最新的質譜流式細胞技術，對8種癌症模式小鼠腫瘤中免疫細胞亞群做了動態且系統地分析。
他們發現腫瘤微環境的免疫成分在不同腫瘤模型之間差異顯著。總的來看，腫瘤相關巨噬細胞在各種腫瘤中佔比都非常大，但具體到各個腫瘤之間佔比差異較大。
例如，MC38結直腸癌和SB28膠質母細胞瘤模型中，適應性免疫細胞相對較少；LMP胰腺癌和遺傳誘導的Braf/Pten黑色素瘤模型均有廣泛的嗜酸性粒細胞浸潤；B16黑色素瘤和3種乳腺癌模型（4T1、AT3以及自體MMTV-PyMT）表現出局部免疫細胞相對豐度較低，但多樣性較高的特點。
▲不同腫瘤模型之間腫瘤微環境的免疫狀態差異
這也說明，不同的腫瘤之間免疫狀況差異非常大。
既然腫瘤微環境中免疫狀況差異如此之大，那麼這些腫瘤是否也會導致全身性免疫系統出現變化呢？於是，他們隨即又分析了模式小鼠血液、脾臟、骨髓和腫瘤引流淋巴結中免疫細胞亞群狀況。
結果發現，與對照組相比，腫瘤模式小鼠的全身免疫狀況確實發生了變化，不同的腫瘤類型之間也存在一定的差異。
最讓Spitzer團隊驚訝的是，定位於大腦的SB28膠質母細胞瘤，竟然對全身免疫有非常大的影響，這種影響甚至超過其他腫瘤。
▲不同腫瘤模型的其他免疫組織/器官的免疫狀態差異
Spitzer和他的同事還注意到，無論腫瘤有沒有發生轉移，這種全身性的免疫改變都存在，而且在MMTV-PyMT乳腺癌模型中還與原發腫瘤大小緊密相關。
總體來看，腫瘤對全身性免疫的重塑，78.4%可以用腫瘤的大小解釋，剩下的部分與肺和淋巴結轉移均相關。
具體到脾臟來看，乳腺癌對脾臟免疫的重塑導致中性粒細胞、嗜酸性粒細胞和單核細胞的頻率增加，B細胞和T細胞減少。
基於以上數據，研究人員認為，腫瘤負擔廣泛地破壞了免疫宏觀環境，這個研究結果對旨在激活局部與全身免疫反應的治療有一定的參考價值。
▲乳腺癌模型的脾臟免疫狀態變化
動態分析數據發現，隨著腫瘤的生長，腫瘤微環境、血液、脾臟、骨髓和腫瘤引流淋巴結中免疫細胞亞群呈非線性變化。
而且腫瘤內的免疫動態變化與其他部位的也不相同，拿中性粒細胞來說，脾臟和骨髓中的中性粒細胞增多，一段時間之後血液中水平也會升高，但淋巴結或腫瘤內幾乎一直水平較低。其他免疫細胞隨腫瘤生在的變化趨勢可見下圖。
這表明，腫瘤的免疫反應是一個高度動態的過程。
▲隨著腫瘤的生長，不同免疫細胞在不同組織器官中的變化
接下來，Spitzer團隊考慮的問題是，這種動態的變化具體到不同的T細胞亞型又是如何變化的呢？
研究人員首先關注的腫瘤浸潤性CD103+ 調節性T細胞（Tregs）的變化，因為CD103+ Tregs是一種強效的殺傷性T細胞的抑制性T細胞[5]。CD103+ Tregs在腫瘤生長到第7天時，在腫瘤微環境中含量非常豐富，但隨著腫瘤的進展逐漸減少。不過CD103+ Tregs在引流淋巴結中的變化是逐漸增多。
此外，CD44+CD27+記憶性CD4+T細胞在脾臟中變化最大，隨腫瘤的進展而減少；血液中表達CD31黏附受體的活化CD44+CD4+T細胞增加，可促進T細胞在炎症環境中的生存；在淋巴結中擴張的CD44+CD8+T細胞表達Ly6C，可支持中央記憶型T細胞的淋巴結歸巢；CD8+T細胞在各種腫瘤模型中都存在擴張，但最主要的亞群是與T細胞功能障礙有關的PD-1和CD69高表達亞群。
為了搞清楚T細胞功能障礙的程度，Spitzer和他的同事分析了瘤內和脾臟T細胞的CD101和CD38的表達水平，這兩個標誌物最近被確定為永久性T細胞功能障礙的象徵[2]。
結果表明，在晚期腫瘤組織中有大量CD38+CD101+CD8+T細胞聚集，這和之前的研究基本保持一致；然而，這種表型T細胞並沒有在脾臟中聚集，這表明CD8+T細胞在腫瘤微環境和其他免疫組織中的改變不同。
▲腫瘤中永久性障礙的T細胞逐漸聚集，但是脾臟沒有這個現象
此外，研究人員還發現，在腫瘤的發展過程中，PD-1和PD-L1表達也是動態性的，這暗示在不同的時間點，腫瘤對免疫檢查點抑制劑的敏感性可能存在差異。
既然腫瘤會影響全身性的免疫反應，那麼這種影響究竟有多大呢？
Spitzer團隊首先用病原物分別感染健康小鼠和荷瘤小鼠，發現正常小鼠和荷瘤小鼠都能清除體內的病原物，這說明腫瘤並沒有完全抑制全身免疫反應。
不過當研究人員仔細分析兩種小鼠的CD8+ T細胞的分化、增殖和產生細胞毒性物質的能力的時候，差異還是出現了，而且是非常明顯地出現了。
荷瘤小鼠的CD8+ T細胞明顯要弱很多，如此看來腫瘤確實是損害了免疫反應。
▲荷瘤小鼠T細胞增殖等標誌物低
基於以上研究，我們能發現，在腫瘤的影響下，其他免疫組織中的CD8+ T細胞沒有出現功能障礙，但是增殖、分化等能力下降。這暗示可能是抗原呈遞細胞（APC）活性受損導致腫瘤之外的地方CD8+ T細胞的活化水平低。之前也有研究表明，乳腺癌患者的循環樹突狀細胞的抗原呈遞能力降低[6]。
Spitzer和他的同事分析了脾臟樹突狀細胞上的共刺激分子表達情況，在荷瘤小鼠體內，樹突狀細胞的關鍵共刺激分子CD80和CD86，以及活化標誌物CD83表達水平都非常低。
▲腫瘤對樹突狀細胞關鍵標誌物的影響
用抗CD40抗體等激活抗原呈遞細胞的藥物處理感染荷瘤小鼠之後，樹突狀細胞的活性就提高了，而且CD8+T細胞增殖水平也提高，相比之下，高劑量的IL-12或抗CTLA-4的治療未能拯救T細胞增殖，這表明單獨的T細胞靶向幹預是不夠的。
以上實驗結果說明，在腫瘤負擔的情況下，抗原呈遞細胞由於受損，未能激發最佳的T細胞反應。
▲抗原呈遞細胞活化藥物的功效
鑑於T細胞活性的缺陷能在從腫瘤負擔的環境中移除後被逆轉，Spitzer和他的同事開始思考腫瘤清除是否足以逆轉全身免疫的變化。
實驗數據表明，成功切除腫瘤能逆轉AT3和4T1乳腺癌和MC38結直腸癌模型全身免疫的變化，例如脾臟免疫細胞的佔比和T細胞亞群的組成變化均恢復正常。
然而，如果存在局部復發或者轉移的話，全身的免疫狀態又會處於一種中間狀態的表型。例如局部復發誘導的脾臟變化與原發腫瘤相似，但T細胞的組成變化不太顯著。而肺轉移誘導的變化相對比較溫和，這也再次說明腫瘤對全身免疫的擾動主要不是播散性轉移引起的。
病原物感染再次證實了上面的研究結果，手術切除腫瘤之後，CD8+T的增殖和細胞毒性與正常小鼠一致，但局部復發會減輕恢復的程度。
最後，研究人員還分析了腫瘤改變全身免疫的相關分子，將目標確定在炎症細胞因子IL-1α和粒細胞集落刺激因子（G-CSF）上，也就是說腫瘤中癌細胞產生的IL-1α和G-CSF，經外周血循環，影響了全身免疫反應。
▲IL-1α和G-CSF的變化
最後來總結一下這個研究，研究人員認為，他們的研究成果表明系統性免疫狀態是具有高度可塑性的。受生理環境的影響，免疫療法在術前或術後使用，可能會產生不同的結果。
此外，將激活抗原呈遞細胞的療法與免疫檢查點抑制劑聯合使用，可能會激發更強大的抗癌免疫反應。據了解，已經有相關的臨床研究正在開展中。
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參考資料：
[1].Allen B M, Hiam K J, Burnett C E, et al. Systemic dysfunction and plasticity of the immune macroenvironment in cancer models[J]. Nature Medicine, 2020: 1-10.
[2].Philip M, Fairchild L, Sun L, et al. Chromatin states define tumour-specific T cell dysfunction and reprogramming[J]. Nature, 2017, 545(7655): 452-456.
[3].Spitzer M H, Carmi Y, Retickerflynn N E, et al. Systemic Immunity Is Required for Effective Cancer Immunotherapy[J]. Cell, 2017, 168(3): 487-502.
[4].Yost K E, Satpathy A T, Wells D K, et al. Clonal replacement of tumor-specific T cells following PD-1 blockade.[J]. Nature Medicine, 2019, 25(8): 1251-1259.
[5].Anz D, Mueller W, Golic M, et al. CD103 is a hallmark of tumor‐infiltrating regulatory T cells[J]. International Journal of Cancer, 2011, 129(10): 2417-2426.
[6].Gabrilovich D I, Corak J, Ciernik I F, et al. Decreased antigen presentation by dendritic cells in patients with breast cancer.[J]. Clinical Cancer Research, 1997, 3(3): 483-490.
本文作者 | BioTalker
腫瘤的手真長~