Molecular Therapy | 一次治療,持續(xù)保護(hù):深圳先進(jìn)院聯(lián)合香港大學(xué)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌訓(xùn)練NK細(xì)胞建立長期抗轉(zhuǎn)移免疫
盡管近年來手術(shù)、放療、化療、靶向治療和免疫治療等癌癥療法取得了長足進(jìn)展,許多患者的原發(fā)腫瘤已經(jīng)能夠得到有效控制,但腫瘤轉(zhuǎn)移仍然是導(dǎo)致癌癥相關(guān)死亡的主要原因。
然而,與轉(zhuǎn)移在患者預(yù)后中的核心地位相比,目前絕大多數(shù)抗腫瘤療法的臨床前及臨床研發(fā)仍主要聚焦于其抑制原發(fā)腫瘤生長的能力,而非抗轉(zhuǎn)移活性,導(dǎo)致針對(duì)轉(zhuǎn)移過程的治療策略開發(fā)長期相對(duì)滯后。因此,建立持久、可預(yù)防性的抗轉(zhuǎn)移保護(hù),已成為腫瘤治療領(lǐng)域的重要研究方向1。
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合成生物學(xué)研究所與香港大學(xué)合作,在國際學(xué)術(shù)期刊Molecular Therapy發(fā)表題為"Therapeutic bacteria-trained NK cells confer long-term protection against cancer metastasis"的研究論文。研究首次發(fā)現(xiàn),治療性沙門氏菌能夠誘導(dǎo)自然殺傷細(xì)胞(Natural Killer Cell,NK細(xì)胞)形成訓(xùn)練免疫(trained immunity),從而建立長期抗轉(zhuǎn)移保護(hù),為開發(fā)新型抗轉(zhuǎn)移免疫治療策略提供了重要理論基礎(chǔ)。
治療性沙門氏菌誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)消退后,長期抗轉(zhuǎn)移免疫保護(hù)依然存在
研究團(tuán)隊(duì)此前在Nature Communications發(fā)表的研究發(fā)現(xiàn),治療性減毒沙門氏菌誘導(dǎo)的急性免疫反應(yīng)能夠通過激活NK細(xì)胞強(qiáng)效抑制腫瘤轉(zhuǎn)移2。然而,感染引發(fā)的炎癥反應(yīng)通常會(huì)在一個(gè)月內(nèi)消退,而NK細(xì)胞的平均壽命僅約兩周。因此,一個(gè)關(guān)鍵問題始終懸而未決:這種抗轉(zhuǎn)移作用究竟只是短暫的免疫激活效應(yīng),還是能夠在感染結(jié)束后持續(xù)存在并提供長期保護(hù)?
意外的是,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)感染30天后,細(xì)菌早已被機(jī)體完全清除,小鼠體重及炎癥因子水平均已恢復(fù)至正常狀態(tài),但此時(shí)小鼠仍然保持顯著的抗腫瘤轉(zhuǎn)移能力,這種抗轉(zhuǎn)移保護(hù)隨后逐漸減弱,但仍可持續(xù)至感染后3至4個(gè)月。這一結(jié)果表明,治療性沙門氏菌不僅能夠激活短期抗轉(zhuǎn)移免疫效應(yīng),還能夠誘導(dǎo)一種長期存在的抗轉(zhuǎn)移免疫狀態(tài)(圖1.A-B)。為模擬癌癥患者術(shù)后復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移的臨床場景,研究團(tuán)隊(duì)在沙門氏菌治療一個(gè)月后建立乳腺癌原位自發(fā)轉(zhuǎn)移模型,并在腫瘤達(dá)到約50 mm3時(shí)手術(shù)切除原發(fā)灶。在這種情況下,一劑治療性沙門氏菌依然實(shí)現(xiàn)了顯著的抗術(shù)后轉(zhuǎn)移效果(圖1.C)。
NK細(xì)胞是長期保護(hù)的關(guān)鍵執(zhí)行者
既然長期免疫保護(hù)往往與適應(yīng)性免疫記憶相關(guān),那么這種持續(xù)存在的抗轉(zhuǎn)移效應(yīng)是否同樣依賴T細(xì)胞和B細(xì)胞?為回答這一問題,研究團(tuán)隊(duì)利用多種免疫缺陷小鼠模型,并結(jié)合抗體介導(dǎo)的免疫細(xì)胞耗竭實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn),即使缺失T細(xì)胞和B細(xì)胞,小鼠依然能夠獲得長期抗轉(zhuǎn)移免疫保護(hù);然而,當(dāng)NK細(xì)胞缺失或被耗竭后,這種抗轉(zhuǎn)移保護(hù)作用則完全消失。這證明NK細(xì)胞依然是長期保護(hù)的關(guān)鍵執(zhí)行者。
細(xì)菌能夠“訓(xùn)練”NK細(xì)胞形成免疫記憶
長期以來,人們認(rèn)為免疫記憶主要依賴于T細(xì)胞和B細(xì)胞介導(dǎo)的適應(yīng)性免疫反應(yīng)。然而,從生命演化的歷史來看,適應(yīng)性免疫系統(tǒng)大約在5億年前才出現(xiàn),并且僅存在于脊椎動(dòng)物中3。在此之前,地球上的生命已經(jīng)依靠先天免疫系統(tǒng)與病原體斗爭了數(shù)億年。即使在今天,超過97%的物種仍主要依賴先天免疫系統(tǒng)抵御外界侵襲3。這不禁引發(fā)一個(gè)問題:如果絕大多數(shù)生物都沒有T細(xì)胞和B細(xì)胞,它們是否也擁有某種形式的“免疫記憶”?近年來,越來越多研究發(fā)現(xiàn),在感染、疫苗或其他免疫刺激作用下,部分先天免疫細(xì)胞能夠通過表觀遺傳重編程實(shí)現(xiàn)持久的功能重編程,并在再次受到刺激時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的免疫反應(yīng)。這種現(xiàn)象被稱為“訓(xùn)練免疫(trained immunity)”3,4。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),沙門氏菌感染后的NK細(xì)胞雖然已經(jīng)恢復(fù)靜息狀態(tài),但再次受到刺激時(shí)能夠產(chǎn)生更高水平的IFN-γ,并表現(xiàn)出更強(qiáng)的脫顆粒和腫瘤殺傷能力。這些特征均符合訓(xùn)練免疫的經(jīng)典功能定義。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合ATAC-seq和CUT&Tag等表觀基因組學(xué)技術(shù),對(duì)染色質(zhì)開放性及組蛋白修飾狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)分析,發(fā)現(xiàn)治療性沙門氏菌訓(xùn)練后的NK細(xì)胞發(fā)生了持續(xù)性的表觀遺傳重塑,其特征是某些與細(xì)胞存活和免疫效應(yīng)相關(guān)的基因區(qū)域形成了更易被激活的表觀遺傳狀態(tài),從而為再次受到刺激時(shí)快速啟動(dòng)抗腫瘤反應(yīng)做好準(zhǔn)備?;谏鲜霭l(fā)現(xiàn),研究團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了“沙門氏菌訓(xùn)練NK細(xì)胞(Salmonella-trained NK cells,stNK cells)”這一概念,揭示了細(xì)菌誘導(dǎo)長期抗轉(zhuǎn)移保護(hù)的關(guān)鍵機(jī)制(圖3)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),這種抗轉(zhuǎn)移訓(xùn)練免疫的形成與早期短暫的IL-12脈沖刺激(transient pulse)聯(lián)合持續(xù)性的IL-18信號(hào)密切相關(guān)。同步阻斷這兩種細(xì)胞因子后,長期抗轉(zhuǎn)移保護(hù)顯著減弱。
stNK細(xì)胞展現(xiàn)優(yōu)異的抗轉(zhuǎn)移潛力
免疫檢查點(diǎn)阻斷療法,尤其是PD-1/PD-L1抑制劑,是當(dāng)前腫瘤免疫治療的重要手段,在控制原發(fā)腫瘤生長方面取得了顯著成功。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將stNK細(xì)胞與PD-1阻斷及新興免疫檢查點(diǎn)靶點(diǎn)TIGIT阻斷進(jìn)行了比較(圖4)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在本研究采用的轉(zhuǎn)移模型中,PD-1阻斷僅表現(xiàn)出有限的抗轉(zhuǎn)移作用,而TIGIT阻斷未顯示明顯效果。相比之下,治療性沙門氏菌誘導(dǎo)的stNK細(xì)胞能夠更有效地抑制腫瘤轉(zhuǎn)移,凸顯了基于NK細(xì)胞訓(xùn)練免疫的干預(yù)策略在抑制轉(zhuǎn)移過程本身方面具有獨(dú)特優(yōu)勢,有望與現(xiàn)有免疫檢查點(diǎn)治療形成優(yōu)勢互補(bǔ),共同提升腫瘤治療效果。
總結(jié)與展望
腫瘤轉(zhuǎn)移是當(dāng)前癌癥治療面臨的核心挑戰(zhàn)之一。本研究首次證明,抗腫瘤細(xì)菌治療不僅能夠通過短期免疫激活抑制腫瘤轉(zhuǎn)移,也能夠通過誘導(dǎo)NK細(xì)胞訓(xùn)練免疫建立長期抗轉(zhuǎn)移保護(hù)。這一發(fā)現(xiàn)將訓(xùn)練免疫研究從傳統(tǒng)感染免疫領(lǐng)域拓展至腫瘤轉(zhuǎn)移防治領(lǐng)域,也為開發(fā)新型抗轉(zhuǎn)移疫苗、體外訓(xùn)練NK細(xì)胞治療以及新一代細(xì)菌免疫治療策略提供了重要理論基礎(chǔ)。未來,隨著相關(guān)機(jī)制的進(jìn)一步解析,基于訓(xùn)練免疫原理構(gòu)建的抗轉(zhuǎn)移免疫干預(yù)策略有望為高轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)腫瘤患者提供更加持久的保護(hù)。
本研究由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與香港大學(xué)合作完成。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所客座研究員、香港大學(xué)慧賢慈善基金(生物醫(yī)學(xué))明德教授黃建東教授為論文通訊作者。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士后榮麗,香港大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生胡景初、博士后金威、博士后李任豪、博士后吳陽帆為論文第一作者。浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心周楠研究員對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和論文修改提供了寶貴建議。趙曉宇、周中軍教授、Md Shakhawat Hosen博士、汪曉雷博士、韓朔博士、龔華銳博士、林軒圣博士、李文君、赫一格、Sukbum Kim和林秋彬博士對(duì)本研究作出了重要貢獻(xiàn)。本項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、慧賢慈善基金、廣東省引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、深圳市腫瘤轉(zhuǎn)移與個(gè)體化治療重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的支持。
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圖1.治療性沙門氏菌YB1能長效抑制轉(zhuǎn)移

圖2. NK細(xì)胞耗竭導(dǎo)致治療性沙門氏菌誘導(dǎo)的長效抗轉(zhuǎn)移保護(hù)完全消失

圖3. stNK細(xì)胞通過表觀遺傳重塑實(shí)現(xiàn)功能的重編程

圖4.?在實(shí)驗(yàn)性轉(zhuǎn)移模型中,stNK細(xì)胞展現(xiàn)優(yōu)于免疫檢查點(diǎn)阻斷治療的抗轉(zhuǎn)移能力
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