一项对肿瘤微环境T细胞中线粒体重编程和代谢应激的分子过程的研究，揭示了T细胞衰竭和功能异常的机制，促进了肿瘤免疫治疗新策略的发展。

肿瘤内的T细胞状态是有效抗肿瘤免疫和免疫治疗的关键决定因素。肿瘤浸润的T细胞会遇到持续的肿瘤抗原，并在肿瘤微环境中经历代谢应激。Scharping等最近发表在《自然•免疫学》杂志上的一项研究表明，持续的抗原刺激与缺氧会损害T细胞的线粒体功能，最终促进T细胞衰竭。此外，他们的研究表明，缓解缺氧可以防止T细胞衰竭，并增强T细胞在黑色素瘤模型中的抗肿瘤反应。

线粒体是一种动态的细胞器，对调节细胞内的代谢偏好和活动至关重要。线粒体的质量和活性对调节T细胞的发育、命运和功能都很重要。最近的研究表明，质量和活性降低的功能失调线粒体在肿瘤浸润淋巴细胞（tumor-infiltrating lymphocytes，TILs）中积累，并导致T细胞代谢不足、衰竭和功能失调。然而，代谢应激和抗原暴露在T细胞衰竭和功能失调中的因果关系仍不清楚。Scharping及其同事首先评估了肿瘤内CD8+T细胞与淋巴结内T细胞的缺氧状态。分析表明，终末衰竭的T细胞会经历严重的缺氧，而且单纯的缺氧无法诱导T细胞衰竭和功能失调，是缺氧和持续抗原刺激的结合，促使T细胞进入一种衰竭样功能失调状态。

此外，Scharping和同事利用多个小鼠模型进行了体内实验，以确定线粒体在持续的抗原刺激和缺氧下引起T细胞衰竭的分子和代谢过程。他们证明，持续的抗原激活可上调B淋巴细胞诱导成熟蛋白1 （B lymphocyte-induced maturation protein 1，Blimp-1），以抑制缺氧应激下过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1 （proliferator-activated receptor gamma coactivator 1，PGC1）依赖的代谢重编程，从而抑制线粒体的生物合成和功能。Scharping及其同事的研究结果得到了最近发表在《自然·免疫学》杂志上的另外两篇报告的有力支持。他们证实T细胞抗原受体（T cell antigen receptor，TCR）介导的T细胞刺激与肿瘤微环境代谢应激促进了线粒体功能失调，包括线粒体氧化磷酸化缺陷、线粒体适应性受损和线粒体去极化增加。随后，线粒体中的这些分子事件诱导了T细胞的终末衰竭（图1）。

多种肿瘤微环境因子参与肿瘤内T细胞衰竭的发展，包括葡萄糖竞争和代谢物积累，以及通过TCR、缺氧和PD-1-PD-L1信号等进行的慢性肿瘤抗原刺激。这些免疫和代谢因子减少线粒体的数量，改变线粒体的功能和活性，从而促进T细胞的表观遗传、转录和代谢重编程。线粒体协调这些分子过程，并驱动肿瘤微环境中最终耗尽T细胞。

除了改变线粒体的质量和数量，由此改变的线粒活性控制着T细胞的命运和功能。最近的研究发现，在抑制性肿瘤微环境中，功能失调的T细胞中ATP的生成受损，线粒体活性氧（reactive oxygen species，ROS）大量释放。在目前的研究中，Scharping和同事揭示，TCR刺激介导的PGC1功能抑制与低氧联合诱导了线粒体ROS的产生，进而驱动T细胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）信号的连续激活，诱导了T细胞衰竭。Vardhana等人最近的研究也表明，慢性抗原刺激驱动有缺陷的氧化磷酸化，并促进功能失调线粒体中ROS的产生，从而损害T细胞的增殖和自我更新，而ROS的积累是T细胞衰竭的标志。

此外，增强和持续的NFAT活性是线粒体ROS诱导的T细胞最终衰竭所必需的。一旦T细胞衰竭，高表达的免疫检查点分子程序化细胞死亡蛋白1（programmed cell death protein 1，PD-1）就促进T细胞代谢程序和线粒体动力学的变化。PD-1信号通路可抑制糖酵解，但也可损害CD8+T细胞的氧化磷酸化。此外，PD-1刺激的T细胞线粒体嵴更少更短，去极化线粒体聚集，线粒体适应性受到抑制。PD-1信号诱导的线粒体功能障碍可能是由于BHLHE40水平的降低，BHLHE40是一种转录调节因子，对维持TILs的线粒体健康至关重要。Scharping等的研究表明，免疫信号和代谢应激直接影响了T细胞在肿瘤微环境中的命运和功能的调节，线粒体是协调所有这些分子过程的枢纽。

除了剖析T细胞衰竭的分子机制，Scharping等的研究提供的见解也将有助于开发新的有效策略，为肿瘤免疫治疗必须重新编程线粒体功能。免疫检查点阻断疗法对某些类型的肿瘤显示出了希望，但总体有效性因肿瘤类型而异。因此，鉴别当前检查点阻断疗法缺乏反应的机制和开发替代免疫治疗策略是迫切需要的。

Scharping和同事首先利用遗传方法在T细胞中过表达谷胱甘肽过氧化物酶1（glutathione peroxidase 1，GPX1）来增加PGC1α并防止肿瘤微环境中ROS的积累，然后使用CRISPR-Cas9策略删除B16黑色素瘤细胞中的NDUFS4以缓解缺氧。

这些遗传策略显著阻止了肿瘤特异性T细胞衰竭的发展，并增强了体内的抗肿瘤免疫反应。Scharping和他的同事在体内给予酪氨酸激酶抑制剂阿昔替尼(axitinib)，这不仅限制了T细胞衰竭、提高了T细胞抗肿瘤免疫反应，还表现为协同增强B16黑色素瘤模型中抗CTLA4－抗PD-1免疫检查点阻断疗法的抗肿瘤疗效。该小组之前的数据表明，通过逆转肿瘤特异性T细胞中PGC1α的丢失而重编程线粒体功能可导致更好的抗肿瘤免疫反应。总之，这些研究表明T细胞中的线粒体和代谢重编程是改善肿瘤免疫治疗的一个有前途的潜在策略。这个新概念得到了最近发表在《自然•免疫学》杂志上的其他报道的支持。Vardhana等使用N-乙酰半胱氨酸（N-acetylcysteine，NAC）治疗增加谷胱甘肽合成，中和衰竭T细胞内积累的活性氧，在淋巴瘤和黑色素瘤模型中显著逆转了慢性抗原刺激驱动的T细胞代谢缺陷，促进了T细胞的抗肿瘤免疫应答，协同增强了抗PD-L1免疫治疗的抗肿瘤疗效。

此外，Yu等证明了线粒体自噬缺陷导致肿瘤浸润的CD8+T细胞中去极化线粒体的积累，从而驱动终末衰竭T细胞的发展。因此，Yu等进行了体内研究，在黑色素瘤和结肠肿瘤模型中，通过瘤内注射或使用烟酰胺核糖（nicotinamide ribose，NR）口服治疗来降低ROS水平，减少CD8+T细胞中去极化线粒体的积累。Yu等证明，给予NR可以恢复线粒体功能，防止T细胞衰竭，维持T细胞在体内的抗肿瘤反应。此外，通过补充NR减轻线粒体功能障碍，结合抗PD-1检查点阻断治疗可诱导附加的抗肿瘤免疫。综上所述，这些研究表明线粒体功能重编程是一种很有前途的肿瘤免疫治疗策略，它可以与目前的检查点阻断疗法协同作用。

Scharping和他的同事证明，持续的抗原刺激和缺氧共同介导的代谢不足会导致T细胞衰竭。已经证实，在肿瘤微环境中，代谢应激驱动肿瘤免疫中的T细胞功能障碍（图1）。Scharping及其同事的研究强调了免疫信号和线粒体功能障碍在T细胞衰竭中的作用。他们的研究提出的另一个重要问题是，除了在肿瘤微环境中的衰竭外，这些分子过程是如何调节其他T细胞命运的。最近的研究表明，TILs中的衰老也是恶性肿瘤诱导的一种重要的功能失调T细胞状态。衰老的CD8+T细胞在多种类型的肿瘤中已经被发现。在人体中，调节性T细胞（Treg）抑制效应T细胞并通过加速葡萄糖消耗诱导T细胞衰老。此外，肿瘤微环境中对T细胞衰竭至关重要的代谢因子，如直接营养竞争和代谢终产物积累，都是T细胞衰老的重要诱导因子。此外，累积的去极化线粒体可诱导细胞衰老。

总的来说，Scharping及其同事们的这项研究清楚地指出了T细胞衰竭发展过程中免疫参与、代谢压力和线粒体重编程之间的因果关系和机制联系。这些研究也为未来的研究提供了重要的见解，以充分理解在肿瘤微环境中驱动T细胞命运和功能失调的关键分子和代谢过程。

参考文献： LIU Xia, PENG Guang-yong. Mitochondria orchestrate T cell fate and function[J]. Nature Immunology, 2021,22:276-278