Cancer Discovery综述|详解肿瘤浸润性NK细胞

大家好呀!今天我们介绍的是一篇重磅综述,该文章于 2020年12月4日发表于Cancer Discovery,题目为“ Tumor-Infiltrating Natural Killer Cells ” ,我们都知道NK细胞通过杀死靶细胞并产生细胞因子来参与对肿瘤的免疫反应。然而,在免疫抑制性的肿瘤微环境中,NK细胞通过暴露于癌细胞产生的抑制分子而变得功能失调,从而导致肿瘤逃逸。本文主要介绍了有关NK肿瘤浸润和监视,以及有关NK细胞功能异常的机制。

Cancer Discovery综述|详解肿瘤浸润性NK细胞

背景介绍

天然杀伤(NK)细胞是淋巴细胞样的细胞毒性先天免疫细胞,于1973年首次被发现。NK细胞不仅在抗肿瘤反应中发挥作用,而且在抵抗微生物感染中也起着重要作用。NK细胞表达多种活化和抑制受体,这些受体介导的信号之间的平衡决定了NK细胞活化的结果。

NK细胞表达的抑制性受体主要识别MHC-I类分子,其中最重要的是杀伤细胞免疫球蛋白样受体(KIR)家族的成员和CD94 / NKG2A异二聚体,并且每个人都表达一组特异性KIRs。迄今为止,一共发现了17个KIRs,其中2个为假基因,而且每一个基因均具有多态性。我们可以根据其结构和功能对KIR进行分类:(i)免疫球蛋白样(Ig样)域的数量,两个(KIR2D-)或三个(KIR3D-),和(ii )存在长或短的胞质尾,用字母“ L”表示“ long”或“ S”表示。抑制性KIR通常具有较长的胞质尾(KIR2DL),而激活的KIR具有较短的胞质尾(KIR2DS),除了激活的KIR2DL4具有较长的胞质尾。

根据“missing self”的原则,NK细胞可以消除MHC-1类分子表达不够的细胞。这些分子的表达通常在病毒感染和肿瘤转化过程中丢失,使细胞逃脱CD8 + T细胞免疫监视 ,而这些分子的下调也可以导致T细胞失能。NK细胞主要的激活性受体包括天然细胞毒性受体(NCR)NKp30,NKp46和NKp44,以及CD16和NKG2D,而其他分子,例如DNAX辅助分子1(DNAM1),2B4和NKp80,则是主要通过充当共受体来增强NK细胞的活性。NK细胞还表达许多抑制性受体,包括LILRB1(也称为LIR1),CD161,KLRG1,SIGLEC7,SIGLEC9,PD-1,TIGIT,LAG3和TIM3。

NK细胞根据表达的标记基因CD56和CD16可以分为两种, 健康人体的血液中包含两种主要的NK细胞亚群:CD56dimCD16 + NK细胞和CD56brightCD16- NK细胞。CD56dim亚群被认为是成熟的细胞毒性细胞,占了血液中的大多数,而CD56bright亚群则并不成熟,主要负责免疫调节,位于次级淋巴器官中。

激活性受体被刺激后, CD56dim NK细胞可以直接杀死其他细胞,无需事先引发。相反,CD56bright NK细胞的细胞毒性较小,但在暴露于环境刺激物(例如IL1β,IL2,IL12,IL15和/或IL18)时会产生大量细胞因子  。

目前尚不完全了解这两个亚群的发育进程,但是一种流行的理论认为它们对应于NK细胞成熟的两个不同步骤 。

最近通过对人骨髓进行单细胞分析来鉴定 CD56bright CD127 + CD160–CD52 +细胞的NK细胞,称为 NK0,可以产生传统的NK2 / CD56bright CD160 + CD52细胞和处于稳定状态的NK1 / CD56dim穿孔蛋白细胞 。

NK细胞最近被分类为属于先天性淋巴样细胞(ILC)家族,还包括辅助性样ILC(ILC1,ILC2和ILC3)和淋巴样组织诱导细胞。像ILC1一样,NK细胞能够分泌1型细胞因子,例如IFNγ,TNFα和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF),有时将它们描述为细胞毒性ILC。ILC1细胞与NK细胞的主要区别在于缺乏颗粒依赖性细胞毒性。

迄今为止发现的由ILC1表达的大多数激活受体和抑制受体也由NK细胞表达,但是这两个亚群在不同器官中的定位方面有所不同。ILC1s几乎完全不存在于血液中,而是主要位于周围组织中,例如在肠道内 。

为了正确执行其功能,NK细胞必须迁移到发炎的组织。NK细胞表达多种趋化因子受体来控制这种迁移。静息条件下 CD56bright CD16− NK表达CCR2 [识别CCL2(MCP1),CCL7(MCP-3),CCL12,CCL13(MCP4),CCL16(HCC-4)] ,CCR5(识别RANTES,MIP1α和MIP1β) 。与CD56dimNK相比, CD56bright CD16− NK 优先表达CXCR3 [识别CXCL4,CXCL9(MIG),CXCL10(IP10)]和CXCL11(I-TAC / IP9),以及更高水平的CXCR4(识别CXCL12 )。CD56dim NK细胞独特地表达CXCR1(识别CXCL8),CX3CR1(识别CX3CL1)和ChemR23(识别 RvE1]。CD56dim细胞还表达高水平的S1P5(识别生物活性脂质S1P),这是它们从骨髓和淋巴结流出以及募集到发炎组织所必需。  

实体瘤中的NK细胞浸润

NK细胞可以通过直接与肿瘤细胞相互作用,以及与其他免疫细胞的相互作用来控制肿瘤的生长。然而,对几种实体癌的肿瘤活检标本的调查显示,尽管识别肿瘤浸润的NK细胞的方法可能存在争议,但NK细胞几乎没有浸润到这些肿瘤中。NKp46细胞表面表达是由NCR1基因编码的人类NK细胞的标志物。迄今为止,NCR1表达是提供有关NK细胞存在的最可靠的标志物。NCR1的表达要弱于其他特定基因,例如CD4,CD8和CD19,这表明NK细胞浸润实体瘤的数量分别少于CD4 + T,CD8 + T和B细胞。但是,肿瘤微环境(TME)中NK细胞的存在可能与良好的预后相关。实际上,在原发性头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)肿瘤切片中观察到了较低的NK细胞数量,并与肿瘤排斥反应不足有关。NCR1在肿瘤部位的表达水平越高,存活率越高。大肠癌患者中NK细胞和CD8 + T细胞向TME的浸润与存活时间的延长也呈正相关。在胃癌和食道癌中,随着患者疾病进展,浸润肿瘤的CD56dim NK细胞的比例逐渐降低。

非小细胞肺癌(NSCLC)样品显示低水平的NK细胞浸润和过表达的NK抑制受体。NK细胞主要浸润肿瘤基质,而肺癌组织中浸润的NK细胞数量较少则与原发癌,吸烟史和患者预后较差有关。对NSCLC的另一项研究报道,在癌组织中NK细胞的频率要比在正常肺组织中低。肿瘤中NK细胞百分比低的主要原因是CD16 + NK细胞亚群中的细胞数量较少。

对来自癌症基因组图谱(TCGA)的黑色素瘤的RNA测序(RNA-seq)数据进行的分析表明,如果转移性皮肤黑色素瘤的肿瘤表现出NK细胞浸润的迹象,则其生存率更高。

作者还分析了TCGA数据库中33种不同类型癌症的10,000多个肿瘤样品的各种RNA-seq数据集,以评估NK细胞浸润(图1)。选择由NK细胞显着过量表达的信息基因以建立NK细胞特征并推断分析的肿瘤样品中这些细胞类型的丰度。结果表明,肿瘤浸润性NK细胞的存在因肿瘤类型而异,这为在特定癌症条件下针对NK细胞和/或T细胞的治疗铺平了道路,因为大多数组织具有明显的NK细胞浸润性也被T细胞浸润。(NK细胞标记基因:CD160,CD244,CHST12,CST7,GNLY,IL18RAP,IL2RB,KLRC1,KLRC3,KLRD1,KLRF1,PRF1和XCL2 ,NCR1;T细胞标记基因:CD3D,CD3E,CD8A,CD8B,KLRC1,KLRK1,GZMH和CCL5 )

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图 1.NK细胞和CD8+T细胞在不同肿瘤中的表达

功能异常的NK细胞

TME中的机制可以改变NK细胞的功能,如图2和表2。前列腺癌患者中NK细胞IFNγ的产生和CD56bright细胞比例明显低于对照组。在对胃癌患者样品的分析中,NK细胞上的激活受体和抑制受体在肿瘤组织和周围的非肿瘤组织中的表达相似。然而,NK细胞的效应功能受损,因为这些细胞在胃癌中IFNγ,TNFα和Ki-67表达水平较低。

肿瘤浸润性NK细胞的百分比显着低于对照组,并且与肿瘤进展和患者总体生存不良相关。在肝细胞癌(HCC)组织中,NK细胞具有较弱的细胞毒性和产生IFNγ的能力受损。恶性和健康组织中的NK细胞具有不同的表型,与健康对照组织相比,CD56bright细胞在肿瘤中更为普遍。

在乳腺癌样本和胰腺癌细胞研究中,已证明NK细胞的激活受体NKp30,NKG2D,NKp46,DNAM1和CD16的表达水平较低,而抑制性受体如NKG2A表达较高。慢性B淋巴细胞白血病(B-CLL)患者的部分NK细胞NKp30明显下调,导致预后较差。AML患者NK细胞中NKp30和NKp46受体表达较弱。在诊断时高水平的NKp46表达与AML患者的预后呈正相关。与健康个体相比,CLL患者对NKp30和NKG2D的可溶性配体表达水平更高,这可以导致NK细胞的细胞毒性抑制和促进CLL逃避NK细胞监视。

CD16是抗原依赖性细胞毒性(ADCC)的关键受体,与健康个体相比,CD16在乳腺癌患者中的表达减弱。在黑色素瘤患者中,主要的浸润性NK细胞亚群是CD56dim CD16-亚群。金属蛋白酶ADAM17是NK细胞中CD16A受体的调节检查点。激活后,它可以诱导CD16A裂解,从而阻碍其信号传导和NK细胞功能。与对照组相比,胰腺肿瘤样品中NK细胞上活化受体DNAM1(CD226)和粘附分子CD96的比例较低,而这些分子的下调与肿瘤组织学分级和淋巴结转移有关。

表一 NK细胞失调的不同机制

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图 2.肿瘤中NK细胞功能失调的机制

PD-1作为耗竭性T细胞的标记基因,同时也在NK细胞中表达。实际上,浸润头颈部肿瘤的PD-1 + NK细胞具有耗竭表型。PD-1在消化道肿瘤的NK细胞表面过度表达,PD-1 / PD-L1抗体的阻断可在体外恢复NK细胞的功能。肿瘤内TIM3 + PD-1 + NK细胞具有IFNγ和颗粒酶B分泌存在缺陷,并且比TIM3-PD-1- NK细胞的细胞毒性要小。在结肠肿瘤样品中,在肿瘤浸润的NK细胞中PD-1和CTLA4的表达水平非常低。然而,肿瘤中NK细胞的TIGIT表达水平明显高于肿瘤外NKG细胞的表达,这一特征与NK细胞耗竭相关。

抑制性受体NKG2A及其配体HLA-E在许多类型的肿瘤中经常过表达。在HCC和大肠癌中,HLA-E过表达与NK细胞衰竭和预后不良相关。此外,已显示NKG2A阻断剂可以同时促进NK细胞和CD8 + T细胞效应功能来增强抗肿瘤免疫力。NK细胞对于预防转移尤为重要,而NK细胞功能障碍与多种癌症类型中癌症转移的增加相关。在乳腺癌中,GSK3β(糖原合酶激酶-3)的失活与NK细胞功能异常有关,被认为是造成转移形成的原因。

肿瘤微环境影响NK细胞功能

肿瘤微环境可以维持肿瘤生长并影响免疫逃逸和癌症进展。由于血管化的改变以及营养和氧气的获取受到限制,大多数实体瘤都会存在永久性或短暂性缺氧区域,缺氧将限制NK细胞的活性。NK细胞线粒体的断裂是缺氧降低NK细胞存活和功能的机制之一。实际上,细胞毒性CD56dim细胞比CD56bright细胞更易受H2O2诱导产生凋亡。

吲哚胺2、3-二加氧酶1(IDO1)是一种代谢酶,可将必需氨基酸色氨酸转化为下游分子,称为犬尿氨酸。IDO1在各种肿瘤中过表达,并负责免疫抑制以及NK和T细胞抑制。TME还通过产生可溶性因子来影响NK细胞的功能。TGFβ是一种主要的免疫抑制细胞因子,可降低NK细胞的抗肿瘤活性。例如,在胶质母细胞瘤中,TGFβ被描述为潜在地能够降低主要NK细胞活化分子表达的药物。STAT3是编码参与细胞生长和分化的因子(包括TGFβ)基因转录的关键调节因子,并在各种原发性肿瘤和细胞系中被组成性激活。在食管鳞状细胞癌中,STAT3信号在肿瘤细胞分泌IL6和IL8中也起着关键作用,导致激活受体(NKp30和NKG2D)的下调。

总结

NK细胞参与对肿瘤的免疫反应,并消除肿瘤细胞,因此被认为是癌症免疫疗法的潜在靶标。但是,恶性转化通常会影响抑制性和激活性NK细胞受体的表达或功能,直接影响NK细胞的细胞毒性。

已经设计和生产了针对关键检查点配体及其受体的各种mAb,用于通过阻断抑制性受体来防止NK细胞失活,包括针对NKG2A的抗体(例如莫纳珠单抗)和针对TIGIT的抗体,这些抗体已经进入临床试验。

最近的研究还集中在通过开发针对肿瘤分泌的可溶性因子例如TGFβ,来增加免疫细胞向肿瘤部位的浸润和募集。抗TGFβ抗体已经进入各种实体癌的临床试验,正在单独或与抗PD-1药物联合测试。就NK细胞而言,解决这些问题和适应性免疫效应靶向的联合疗法对于临床大有裨益。

参考文献

Cancer Discov. 2020 Dec 4. doi: 10.1158/2159-8290.CD-20-0655.


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