Adv Sci：田志刚院士团队揭示NK细胞辅助功能的调控机制，协同免疫疗法共抗癌

NK细胞不仅是直接参与肿瘤监测的先天效应淋巴细胞，而且是抗肿瘤CD8+T细胞反应的重要助手。然而，调控NK细胞辅助功能的分子机制和潜在检查点尚不清楚。

2023年2月19日，中国科学技术大学田志刚院士、孙昊昱教授及中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所毕嘉成副研究员等人在期刊《Advanced Science》发表了题为“Checkpoint TIPE2 limits the helper functions of NK cells in supporting antitumor CD8+T cells”的研究论文。研究结果揭示：NK细胞辅助CD8+T细胞抗肿瘤免疫应答的分子机制，并表示TIPE2分子是NK细胞辅助功能的免疫检查点分子，靶向敲除NK细胞中TIPE2能同时促进NK细胞及其辅助的CD8+T细胞抗肿瘤应答。

免疫治疗正在改变肿瘤的治疗范式，并不是所有患者都能从免疫治疗中受益。治疗实体肿瘤，免疫治疗仍很有限。另一方面，在合成生物学飞速发展的情况下，当前的免疫治疗研究正往“合成免疫学”方向发展。这个方向旨在通过设计与构建新型合成免疫分子、合成免疫细胞等，对免疫应答进行合理操控，从而实现重大疾病的免疫治疗。

免疫检查点分子（Immune Checkpoints）作为“合成免疫学”设计的重要元件，不仅能揭示免疫应答的调控规律，而且能提供工程化合成免疫分子/细胞的理论依据。因而，免疫检查点研究是当前合成免疫学研究的关键切入点。

图1. NK细胞在肿瘤微环境中进入功能低下的“免疫耗竭”状态

NK细胞是一种细胞毒性先天淋巴细胞，在一线肿瘤监测中起着至关重要的作用。IFN-γ的产生和细胞毒性都是NK细胞的主要抗肿瘤效应功能，其受T-box转录因子T-bet和Eomes的控制。除了直接的肿瘤监测外，NK细胞还显示辅助功能，以协调随后的CD8+T细胞抗肿瘤反应。

在抗肿瘤CD8+T细胞反应的第一步，从NK细胞杀死的死亡肿瘤细胞释放的肿瘤抗原可以被DC细胞获得，以呈现给CD8+T细胞。接下来，NK细胞通过对未成熟DC的优先细胞毒性来促进DC成熟，以及通过分泌IFN-γ和TNF-α上调共刺激分子和DC产生IL-12。此外，CD8+T细胞的肿瘤识别也需要NK细胞的帮助，因为NK细胞衍生的IFN-γ上调肿瘤细胞上的MHC-I表达。另一方面，NK细胞在CD8+T细胞依赖性PD-1/PD-L1检查点免疫治疗中起重要作用。此外，NK细胞还天然具有作为“通用型”合成免疫细胞疗法底盘细胞的优势。

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尽管如此，NK细胞在肿瘤微环境中会受到负向调控，进入功能低下的“免疫耗竭”状态（图1）[1, 2]；为了充分发挥NK细胞的免疫治疗优势，科研团队需要深入揭示肿瘤相关NK细胞的功能调节机制。

图1. NK细胞在肿瘤微环境中进入功能低下的“免疫耗竭”状态

课题组前期已发现TIGIT（Hepatology 2014a,2014b; Nat Immunol 2018）、A3AR（Cell Mol Immunol 2021）和TIPE2（Science Advances 2021; J ImmunoTher Cancer 2023）等免疫检查点分子在疾病状态（如肿瘤、组织损伤与再生等过程）中对NK细胞的功能具有负调控作用。其中胞内免疫检查点分子（TIPE2分子）在稳态NK细胞中的表达水平与NK细胞的功能成熟相关，且在肿瘤相关NK细胞中的表达水平与NK细胞的功能耗竭状态相关，且高表达TIPE2的NK细胞亚群与肿瘤患者较差的预后显著相关。

研究人员利用小鼠结肠癌MC38肿瘤模型及黑素瘤B16肿瘤模型，发现NK细胞缺失Tipe2后小鼠体内肿瘤生长显著受到抑制，且该现象同时依赖于NK细胞及CD8+T细胞的存在（图2）。NK细胞缺失Tipe2后，肿瘤引流淋巴结及肿瘤局部CD8+T细胞的功能显著增强，且缺失Tipe2的NK细胞转输到MC38荷瘤的小鼠后肿瘤生长显著低于对照组；而若提前清除CD8+T细胞则无法观察到该效应。因而，结果提示NK细胞中的TIPE2分子，间接抑制着CD8+T细胞抗肿瘤应答。

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图2. NK细胞敲除Tipe2后促进抗肿瘤CD8+T细胞应答

在作用机制方面，肿瘤浸润NK细胞中，效应分子（IFN-及perforin）表达较高的群体Tipe2表达较低，且Tipe2缺失的肿瘤浸润NK细胞具有更强的杀伤活性（图2）。考虑TIPE2是否通过抑制效应分子（IFN-及perforin等）的上游分子，间接抑制NK细胞的效应功能，从而影响CD8+T细胞抗肿瘤应答。团队发现，Tipe2缺失后肿瘤浸润NK细胞，表达更高水平的转录因子T-bet及Eomes。转录因子T-bet和Eomes促进NK细胞一系列效应分子的转录，对NK细胞的效应功能起关键作用。

另一方面，检测到Tipe2缺失后肿瘤浸润NK细胞也表达更高水平的perforin，且该现象依赖T-bet或Eomes的存在，印证了T-bet/Eomes与NK细胞效应功能之间的紧密联系。重要的是，团队发现NK细胞中Tipe2缺失对肿瘤生长的抑制效应依赖于NK细胞中表达T-bet、Eomes及perforin，这三者之中任意其一若同时缺失的话，肿瘤将恢复加速生长。

另一方面，NK细胞Tipe2缺失能够进一步促进抗PD-L1治疗的抗肿瘤效应，提示二者的作用机制之间存在协同效应。科研团队的研究表明NK细胞TIPE2通过抑制转录因子T-bet和Eomes及其下游的效应分子的表达，间接限制了抗肿瘤CD8+T细胞的功能，提示TIPE2是NK细胞辅助功能的免疫检查点分子。

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图3. NK细胞敲除 Tipe2 促进抗肿瘤 CD8+T 细胞应答的机制 

本研究证明：NK细胞为CD8+T细胞治疗和对抗PD-L1治疗的最佳反应，提供了必要的帮助。TIPE2也代表调节NK细胞辅助功能的免疫检查点，以支持抗肿瘤CD8+T细胞反应。这些结果揭示：NK细胞在肿瘤免疫中的重要性，并表明靶向NK细胞辅助功能的策略，可能改善T细胞的免疫疗法效果。

中国科学技术大学田志刚教授、孙昊昱教授及中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所毕嘉成副研究员为该文的通讯作者，毕嘉成副研究员同时为该文的第一作者。 该工作获得了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院定量工程生物学重点实验室、深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。

参考文献：

[1] Bi J*, Tian Z*. NK Cell Exhaustion. Frontiers in immunology 2017, 8: 760.

[2] Bi J*, Tian Z*. NK cell dysfunction and checkpoint immunotherapy. Frontiers in immunology 2019, 10: 1999.

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[4] Bi J, Zheng X, Chen Y, Wei H, Sun R*, Tian Z*. TIGIT safeguards liver regeneration through regulating natural killer cell-hepatocyte crosstalk. Hepatology 2014, 60(4): 1389-1398.

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[8] Bi J*, Huang C, Jin X, Zheng C, Huang Y, Zheng X, Tian Z*, Sun H*. TIPE2 deletion improves the therapeutic potential of adoptively transferred NK cells. J ImmunoTher Cancer, 2023.