Immunity：免疫治疗为何会失效？肿瘤缺氧“策反”T细胞内部关键因子 | Cell Press论文速递

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2025-10-16 17:02发布于北京CellPress细胞科学官方账号

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在肿瘤免疫治疗领域，免疫检查点抑制剂（ICI）尤其是PD-1/PD-L1阻断剂，已在多种癌症类型中展现出显著的临床效益。然而，仍有大量患者对ICI治疗无响应或产生耐药性，其背后的机制尚未完全阐明。近年来研究表明，肿瘤微环境（TME）中的代谢应激是导致T细胞功能耗竭和免疫治疗失败的关键因素之一。特别是TME中的缺氧环境，被认为能够通过诱导T细胞线粒体功能紊乱、抑制其代谢适应能力，进而削弱CD8⁺ T细胞的抗肿瘤活性。尽管已知缺氧可上调CD8⁺肿瘤浸润性淋巴细胞（TIL）表面的抑制性受体（IR）的表达，但其如何通过细胞内信号通路直接调控T细胞功能状态，尤其是是否通过激活细胞内的应激响应通路，仍不明确。

整合应激反应（ISR）是细胞在应对多种压力（如缺氧、营养匮乏、内质网应激等）时高度保守的调控网络，其核心转录因子ATF4在短期应激中具有保护作用，可促进细胞存活；然而，长期或慢性的ATF4激活则与代谢失衡、氧化应激和细胞凋亡密切相关。在肿瘤细胞中，慢性ATF4活性已被证实可促进肿瘤进展和免疫逃逸，但其在CD8⁺ TIL中的具体作用及其与T细胞耗竭状态的关系尚不清楚。尤其是在缺氧微环境中，ATF4是否作为连接外部应激信号与T细胞内部代谢缺陷的关键分子，进而影响免疫治疗响应，成为研究人员关注的焦点。

2025年10月14日，来自美国北卡罗来纳大学的Jessica E. Thaxton团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Immunity上在线发表题为“Intra-tumoral hypoxia promotes CD8⁺ T cell dysfunction via chronic activation of integrated stress response transcription factor ATF4”的文章，证明TME内的缺氧环境会持续激活CD8⁺ TIL中的应激蛋白ATF4，使其线粒体功能紊乱、大量死亡，并丧失攻击癌细胞的能力。而抑制ATF4通路，能有效“解救”这些T细胞，恢复其活力，并使其对PD-1抑制剂等免疫疗法重新敏感。这一发现为克服当前免疫治疗的耐药难题提供了全新策略，意味着未来通过联合使用ATF4抑制剂，有望让更多癌症患者从免疫治疗中受益。

本文研究人员首先利用化学蛋白质组学技术对黑色素瘤患者样本进行分析，发现多种ISR激酶的活性普遍升高，提示TME中存在强烈的应激信号。对小鼠肿瘤模型的CD8⁺ T细胞进行RNA测序发现，与脾脏中的T细胞相比，TIL中表征慢性有害ATF4信号的下游基因显著富集。在肉瘤（MCA-205）和结肠癌（MC-38）等多种小鼠模型中均一致地观察到，CD8⁺ TIL的ATF4蛋白水平显著高于来自脾脏或肿瘤引流淋巴结（TDLN）的T细胞。同样的，在癌症患者的CD8⁺ TIL中，慢性ATF4信号传导的活跃程度也高于从非肿瘤器官分离出的CD8⁺ T细胞。这些数据表明，这种汇聚于持久性有害ATF4轴调控的IRS在患者样本和小鼠癌症模型的CD8⁺ TIL中均处于活跃状态。

为了区分慢性抗原刺激与TME本身的影响，研究人员采用了淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒（LCMV）特异性P14⁺T细胞过继转移模型，发现在没有TME的慢性病毒感染情况下，抗原持续刺激仅能适度诱导ATF4表达，而一旦定位到TME中，P14⁺ T细胞则表现出强烈的ATF4表达，这表明TME是肿瘤抗原特异性T细胞中ATF4表达的有效诱导因子。TME是驱动CD8⁺ TIL中慢性ATF4信号激活的一个独立且强大的放大器，而这直接导致了T细胞线粒体氧化应激（mtROS）增加和早期凋亡。随后，通过多重免疫荧光成像技术，研究人员明确了ATF4激活与瘤内缺氧在空间上的直接关联，证实肿瘤中的低氧条件会增强CD8⁺TIL中ATF4的表达。在体外模拟TME条件也发现缺氧与TCR刺激协同作用，能强烈诱导ATF4及其下游靶基因的表达，并引发线粒体氧化应激和细胞死亡，重现了体内TIL的表型。进一步地，抑制四种上游ISR激酶或使用能整合抑制所有ISR激酶下游信号的药物ISRIB，均能降低缺氧条件下的ATF4表达，后者效果最强并显著增强了T细胞在缺氧应激下的存活率，证明多种ISR激酶在TME中整合了缺氧应激，诱导CD8⁺ TIL中持续有害的ATF4活性。

随后，研究人员构建了CD8⁺ T细胞特异性过表达ATF4的转基因小鼠，结合RNA测序、代谢组学和透射电镜等技术，发现与对照组相比，持续活化的ATF4可显著上调CD8⁺ T细胞中氧化应激与凋亡相关基因，诱导显著的mtROS积累，使T细胞出现线粒体面积缩小、嵴结构肿胀等超微结构损伤，并伴随三羧酸循环中间产物的大量积累、电子传递链过度运转及ATP偶联呼吸增强，最终导致线粒体膜电位下降、早期凋亡比例升高和可观测的切割型caspase-3上调。这些结果表明，长期ATF4活性会促进线粒体功能过度活跃，这种亢进状态与代谢耗竭和线粒体缺陷相关，并最终启动T细胞的凋亡程序。多种类型肿瘤的小鼠皮下移植瘤模型实验结果显示，ATF4过表达显著加速肿瘤生长、缩短生存期；从肿瘤中回收的存活T细胞数量急剧减少，并伴随其增殖能力和多功能细胞因子产生能力的下降。这些数据表明，CD8⁺ T细胞中持续的ATF4活性并非仅仅是一个伴随现象，而是通过直接诱发T细胞死亡和功能受损，从而主动限制了机体的肿瘤控制能力。

研究内容示意图

已知，在慢性抗原暴露的环境中，T细胞会进入耗竭状态，其特征是功能下降和IR表达增加。癌症中存在两个主要的耗竭T细胞亚群：祖源耗竭细胞（TEX_prog）和终末耗竭细胞（TEX_term），前者具有自我更新和多功能性，而后者是存活时间短、细胞毒性增强的效应细胞。为了评估持续存在的ATF4活性对T细胞状态的影响，本文研究人员通过过继转移抗原特异性OT-1 T细胞至肿瘤小鼠体内发现，ATF4过表达的CD8⁺ TIL显著富集于TCF-1^-/Tim-3⁺或SLAMF6^-/Tim-3⁺的TEX_term群体，而ATF4低表达群体则保留更多TEX_prog特征。更重要的是，对从未接触过肿瘤抗原的初始小鼠脾脏CD8⁺ T细胞进行RNA测序分析显示，仅强制表达ATF4就足以在无持续性TCR刺激的情况下，引发与TEX_term状态相关的基因特征性富集，并下调TEX_prog相关基因。由此证明，持续的ATF4活性本身就是一个强大的内在驱动力，能够独立于慢性抗原刺激，直接促使CD8⁺ T细胞朝终末耗竭的细胞状态发展，从而削弱其自我更新与效应潜能。

最后，研究人员对接受PD-1抑制剂治疗的黑色素瘤和头颈癌患者样本的分析显示，治疗无响应者的CD8⁺ T细胞中普遍存在慢性ATF4活性特征基因的高表达，治疗前肿瘤或外周T细胞中ATF4表达低者生存获益更大，提示ATF4活性与临床耐药相关。随后，研究人员构建了CD8⁺ T细胞ATF4杂合缺失的小鼠，在保留ATF4急性保护功能的同时，削弱其慢性有害作用。实验发现，无论是这种遗传上的部分衰减，还是使用小分子ISRIB进行药理学抑制，均能显著提高荷瘤小鼠对PD-1抑制剂的治疗响应，表现为肿瘤控制增强和生存期延长，且治愈小鼠再次受到肿瘤刺激时获得持久保护。进一步分析表明，ISRIB治疗通过降低CD8⁺ TIL的mtROS和细胞死亡，并促进其从终末耗竭状态向祖源耗竭状态重塑，从而改善了T细胞的功能和存活。这些结果证明靶向抑制慢性ATF4信号可重塑TIL代谢与分化状态，协同增强PD-1抑制剂疗效并诱导免疫记忆。

综上所述，本研究明确了慢性ATF4活性在限制抗肿瘤免疫中的T细胞内在作用，证明在缺氧的TME中，驱动代谢极化和细胞凋亡的慢性、持续性ATF4活性，其负面影响超过了ATF4的急性保护作用，阐明了慢性ATF4信号在塑造抗肿瘤免疫过程中的有害作用。而利用ISRIB等药物抑制这一通路，能够有效“解救”T细胞，恢复其活力与功能，从而与现有免疫疗法产生强大的协同效应，为改善癌症免疫治疗疗效提出了新靶点，也为克服临床耐药难题开辟了全新的道路。