Nat Rev丨NK细胞在癌症免疫中的作用及应用
原创 珍奇 图灵基因 2022-06-20 10:53 发表于江苏
收录于合集#前沿分子生物学机制
撰文：珍奇
IF：53.106
推荐度：⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐
亮点：
本文从NK细胞的生物学和调节作用、NK细胞的适应性特征、宿主NK细胞针对癌症免疫的作用及抗肿瘤的NK细胞疗法四个方面对NK细胞在癌症免疫方面的研究进行了总结。这些发现为使用NK细胞进行癌症治疗提供了强大的动力，作者预测NK细胞将成为T细胞的补充治疗方式，并可能在某些适应症中取代T细胞靶向治疗。
近年来，有关自然杀伤细胞（NK）在肿瘤和病毒免疫中的研究取得了很大进展。NK细胞是具有细胞毒性的先天性淋巴细胞，它们通过产生炎症细胞因子和趋化因子，裂解转化或感染的细胞，从而限制肿瘤的生长和病毒的感染。其中，NK细胞识别的一个关键特征是可被结合MHC I类（MHC I）分子的受体所抑制，因此NK细胞优先杀死MHC I缺陷的肿瘤细胞。特别是在检查点阻断免疫疗法的背景下，MHC I表达的缺失已经成为肿瘤细胞获得抗肿瘤CD8+T细胞反应的重要机制。因此，许多人正在努力用治疗方法调动内源性NK细胞，或提供体内扩增的NK细胞群作为细胞疗法。2022年5月30日，《Nature Reviews Immunology》杂志刊登了一篇名为“Roles of natural killer cells in immunity to cancer, and applications to immunotherapy”的综述，本文作者首先讨论了NK细胞在内源性疾病中的作用，及在内源性宿主对肿瘤细胞免疫反应中的作用；随后研究了NK细胞在临床前模型和临床中的治疗应用的最新进展。
NK细胞的生物学基础和调节作用
最初，人们发现NK细胞能在无针对性的免疫情况下杀死肿瘤细胞的淋巴细胞，但当前它们已被归为是第1组先天性淋巴细胞（ILCs）的一个亚群。在正常静态条件下，NK细胞产生后的半衰期为一天，这引起了人们对其提供持续治疗效果前景的担忧。但随后的研究表明，NK细胞的半衰期要长得多，约为2周，与效应记忆T细胞的半衰期相似，可在细胞因子的作用下大大延长。
NK细胞通过一个种系编码的激活和抑制受体系统来识别其目标细胞，这些受体识别潜在目标细胞上的膜结合配体。抑制和激活是结合在一起的，它们相互平衡的，这样，抑制可能被强烈的激活所克服。在NK细胞表达的激活受体中，有高亲和力的Fc受体CD16和CD32，它们能有效地触发细胞毒性和细胞因子的释放，使NK细胞能通过抗体依赖性细胞毒性（ADCC）杀死抗体涂层细胞。ADCC是NK细胞的一项关键活动，与抗体介导的癌症治疗有关。
NK细胞的细胞毒性包括分泌细胞毒性颗粒，其中含有形成孔洞的蛋白穿孔素和裂解颗粒酶B，从而引发目标细胞的凋亡。NK细胞也可能通过死亡受体TRAIL和FASL诱导靶细胞凋亡。NK细胞还通过分泌趋化因子和细胞因子来发挥抗肿瘤作用，这些因子可以直接或间接地招募其他免疫细胞，对靶细胞产生细胞毒性和细胞抑制作用，此外还可以进一步刺激更广泛的细胞免疫反应。
NK细胞对肿瘤细胞的活跃程度在很大程度上取决于NK细胞的激活状态，这也受树突状细胞（DCs）和单核细胞等其他先天免疫细胞所产生的细胞因子的调节。一些细胞因子在NK细胞激活中起着重叠和不同的作用，包括通过共同的γ链信号的细胞因子（主要是IL-2和IL-15），IL-12和IL-18，以及I型干扰素。其中I型干扰素在激活NK细胞方面也起着关键作用，直接作用于NK细胞以诱导效应分子。
图1. NK细胞功能受细胞表面受体和细胞因子调节
NK细胞的适应性特征
NK细胞虽然是先天免疫系统的一部分，但一些NK细胞仍表现出适应性免疫的特征，特别是克隆特异性和记忆特性。实际上与T细胞和B细胞相比，NK细胞的克隆特异性相对有限，且NK细胞记忆可能不像T细胞和B细胞记忆那样持久。
NK细胞的克隆特异性是由于NK细胞的亚群表达不同的受体，赋予了不同的表达模式，其中每个受体由或多或少的细胞亚群随机表达。所有的抑制性受体和少数的激活性受体都表现出这种变异的表达模式。质谱分析显示，NK细胞的克隆多样性高得惊人，在人类个体中检测到多达30000种独特的NK细胞表型，以及显著的表型多样性。大多数NK细胞表达的受体至少与一种自身MHC蛋白结合。因此，当这些NK细胞遇到表达MHC I的宿主细胞时被抑制，通常会保护这些细胞免受NK细胞的攻击。
由于抑制性受体获得的随机性，一些NK细胞的出现缺乏任何针对自身MHC I的抑制性受体。这些NK细胞不受自身MHC I的抑制，所以它们在理论上有可能产生自体活性。同样，一些动物和人类的突变导致了MHC I的缺乏，但NK细胞仍在发育，这也造成了NK细胞不受自身MHC I分子抑制的情况。在这两种情况下，NK细胞表现出功能性的低反应性，这有助于NK细胞的自我耐受性，也就是说，尽管它们缺乏自我MHC分子的抑制性受体或完全缺乏MHC I分子，它们也不会杀死自我细胞。分析表明，NK细胞的功能变化取决于自身MHC分子的参与，不能被归类为二元的，如反应性和非反应性。相反，NK细胞表现出一系列的功能活动，这些活动的增加取决于它们碰巧表达了多少个自我MHC I的抑制性受体以及这些相互作用的强度。NK细胞的另一个重要适应性特征是存在某种形式的记忆。研究表明，在感染后，NK细胞活性的提高可以持续数月，甚至更长时间，而且NK细胞的记忆反应有其特殊性。
宿主NK细胞针对癌症免疫的作用
许多研究表明NK细胞在肿瘤免疫监视中的作用。众所周知，低剂量注射NK细胞能有效地消除各种肿瘤细胞系，但更有意义的研究是使用自发的癌症模型。在致癌物（甲基蒽）诱导的肉瘤模型和小鼠自发B淋巴瘤模型中，长期耗尽NK细胞会导致癌症发病率或严重程度升高，这表明NK细胞通常会抑制此类肿瘤的发展。在癌症的自发或肿瘤转移模型中，NK细胞对肿瘤的消除往往取决于穿孔蛋白的表达，这表明直接杀伤肿瘤的关键作用。最近的研究表明，NK细胞在检测新生肿瘤和通过招募DCs到TME来动员更有力的免疫反应方面起着重要作用。
图2. 肿瘤微环境对NK细胞活化、抑制和失活的影响
抗肿瘤的NK细胞疗法
目前，有两种NK细胞介导的癌症免疫疗法正在接受评估：激活和动员内源性NK细胞的疗法；在体外扩增和设计NK细胞群或NK细胞系，并作为细胞疗法进行输注。
IL-2最初被认为是T细胞生长因子，实际上它也能刺激NK细胞的激活和增殖。用高剂量的IL-2培养外周血淋巴细胞会导致淋巴因子激活的杀伤细胞的生长，这些淋巴因子激活的杀伤细胞中有许多是NK细胞。在小鼠的黑色素瘤模型中，淋巴因子激活的杀伤细胞与低剂量IL-2注射相结合的采纳性转移已被证明可抑制体内转移的形成。高剂量IL-2免疫治疗使一小部分转移性肾癌和转移性黑色素瘤患者长期存活，这导致FDA批准IL-2用于这些适应症。与T细胞相比，NK细胞介导这些作用的程度尚不清楚。此外，大剂量IL-2治疗的低疗效和高毒性--包括血管渗漏综合征、心力衰竭和肝脏损害等不良事件130--限制了这种方法在临床上的应用。这种方法的另一个问题是，IL-2治疗会选择性地扩大Treg细胞群，这可能会抵消治疗的有益效果。为了优化IL-2作为免疫治疗剂的疗效，很多团体对IL-2进行了设计和改造。一种方法是延长IL-2的体内半衰期，这可以通过将细胞因子与白蛋白、抗体的Fc域融合，或通过将聚乙二醇与分子结合来实现。另一种强有力的方法是对分子进行工程设计以改变其与IL-2受体成分的结合。
NK细胞的活性可以被先天免疫的激活剂（如病原体相关分子模式）强烈放大。从实验室小鼠中分离出来的NK细胞的体外活性通常很低或为零，但可以通过事先让小鼠接触Toll样受体（TLR）激动剂，如合成的双链核糖核酸（poly(I:C)）来放大。TLR激动剂作为免疫治疗剂的可信度越来越高，因为它们已知能诱导强烈的先天和适应性免疫反应。最近，有证据表明STING激动剂（如环状二核苷酸）是强有力的NK细胞激活剂。在六种不同的MHC I缺陷的小鼠肿瘤模型中，将STING激动剂注射到肿瘤中可调动强大的NK细胞介导的抗肿瘤反应。此外，STING激动剂诱发了强大的系统性抗肿瘤效应，影响了注射后远处肿瘤的生长。
PD1和PDL1免疫检查点阻断疗法的成功主要是从扩大T细胞反应的角度来解释的。然而，已经积累的证据表明，NK细胞在某些癌症中也会上调抑制性受体PD1，并且PD1的参与在某些情况下可以抑制NK细胞。在一些小鼠模型中，PD1阻断引起抗肿瘤的NK细胞反应，这对于PD1和/或PDL1阻断的全部治疗效果是必要的。这些发现表明，在某些情况下，除T细胞外，NK细胞也能介导PD1/PDL1阻断的效果。
另一种方法是通过产生 "NK细胞啮合剂 "来扩大NK细胞对抗肿瘤的功能，该方法由双特异性或三特异性抗体组成，为NK细胞激活受体和肿瘤细胞特异性分子搭建桥梁。这种方法在概念上与T细胞啮合剂相似，后者将具有细胞毒性的T细胞与肿瘤细胞连接起来。NK细胞诱导剂的一个可能的优点是，NK细胞的激活可能比持续的T细胞激活的毒性要小。
图3. 通过NK细胞调动抗肿瘤反应的免疫治疗方法
教授介绍：
David H. Raulet，美国加州伯克利大学分子与细胞生物学系教授，Schekman癌症生物学教授、免疫治疗和疫苗研究计划学院主任。其研究团队致力于了解自然杀伤细胞和T细胞的识别，并正在开发调动NK细胞治疗癌症的方法，为了解NK细胞的识别和细胞毒性细胞在癌症和病毒感染中的免疫调节做出了根本性的贡献。其研究结果使人们对预激活细胞的要求、抑制方式和在肿瘤中发生的脱敏过程有了新的认识。这些发现反过来又使人们能够开发新的方法来预激活NK细胞、使NK最大限度地杀死肿瘤细胞、阻断NK细胞的抑制，以及逆转NK细胞脱敏的方法，所有这些都有可能用于癌症的免疫治疗。他们已经在小鼠的各种癌症模型中证明了其中几种方法的有效性，并致力于将这些发现转化为对人类癌症的治疗。
参考文献：
Wolf, N.K., Kissiov, D.U. & Raulet, D.H. Roles of natural killer cells in immunity to cancer, and applications to immunotherapy. Nat Rev Immunol (2022).https://doi.org/10.1038/s41577-022-00732-1