1.1 摘要

目前的免疫疗法通过增强宿主免疫在癌细胞消除和病毒清除方面的能力，产生了显著的临床效果。然而，在长时间接触抗原后，CD8+ T 细胞会分化成一种特殊的分化状态，称为 T 细胞耗竭，这是慢性病毒感染和肿瘤发展过程中抗病毒和抗肿瘤免疫的主要障碍之一。越来越多的证据表明，耗竭的 T 细胞会出现代谢不足，信号级联和表观遗传发生改变，这会抑制效应免疫并导致对免疫检查点阻断疗法的反应不佳。代谢压力如何影响 T 细胞耗竭仍不清楚；因此，在这篇综述中，我们总结了当前关于 T 细胞耗竭如何发生的知识，并讨论了代谢不足和长期应激反应如何影响信号级联和表观遗传重编程，从而通过专门的分化编程将 T 细胞锁定在耗竭状态(Franco 等 2020) 。

1.2 前言

T细胞活化后，幼稚CD8+ T细胞通过转录调控分化为效应T细胞或记忆T细胞，这一过程需要代谢重编程以满足不同的能量需求。例如，处于代谢静止状态的幼稚T细胞使用氧化磷酸化（OXPHOS）来产生能量。激活后，幼稚 T 细胞经历由PI3K–Akt–mTOR途径控制的代谢开关，向效应T细胞分化，这一过程需要T细胞依靠有氧糖酵解进行快速扩增和发挥效应功能。

相反，记忆 T 细胞在抗原清除后持续存在，并具有独特的代谢程序，其特征是 OXPHOS 和自噬升高。

线粒体的动力学与T细胞代谢有着内在的联系，以满足细胞分化期间或压力条件下的能量需求和免疫反应。在效应T细胞中，T细胞受体（TCR）信号传导促进线粒体裂变并导致相对较低的呼吸活动。相比之下，记忆T细胞含有相对较大的线粒体质量，并且线粒体具有融合的超微结构和相对较高的备用呼吸能力（SRC）。

这些特征被认为在没有抗原的情况下支持这些细胞的存活。然而，当抗原持续存在时，例如在肿瘤或慢性病毒感染中，T细胞显示出一种独特的表型，称为耗竭（T Cell Exhaustion）。

T细胞耗竭表现为抑制性受体表达升高，TCR刺激后效应功能下降和增殖能力降低；独特的表观遗传特征，导致对免疫疗法的反应性差；代谢功能不全，线粒体呼吸和糖酵解受到抑制；内质网应激反应信号的上调等。

1.3 耗竭的T细胞是异质性的

在T细胞耗竭的发展过程中，CD8 + T细胞逐渐失去效应细胞因子的产生和增殖潜力，并逐渐增加其抑制受体的表达，如PD-1，Tim-3和Lag-3。耗竭的T细胞已被证明是从记忆T细胞的前体发育而来的，并且是一群异质细胞群体。以TCF-1表达为特征的CD8+ T细胞的独特亚群，显示出干细胞样特性，表达高水平的CXCR5和SLAMF6以及TCF-1；它们是PD-1阻断治疗后扩增并逐渐分化为终末耗竭T细胞的主要亚群。然而目前决定T细胞耗竭的分化程序和维持干细胞样表型的潜在机制和激活过程在很大程度上仍然未知。

1.4 环境因素调节T细胞分化和耗竭

1.4.1 免疫调节细胞的作用

除了慢性TCR刺激外，肿瘤微环境（TME）中的免疫抑制特征（包括细胞因子环境、营养剥夺和暴露于免疫抑制分子）会影响T细胞分化并导致T细胞耗竭。调节性T细胞通常异常地积聚在TME中并表达免疫抑制分子，包括抑制抗肿瘤T细胞反应的细胞因子IL-10，IL-35和TGFβ。肿瘤浸润淋巴细胞 （TIL） 中 T 细胞与 CD8+ T 细胞的比例升高通常与许多癌症类型抗 PD-1 治疗后的预后不良和令人失望的治疗结果有关。最近的在B16黑色素瘤肿瘤模型中研究表明，肿瘤内T细胞通过IL-10和IL-35的合作促进CD8+ TIL中的T细胞耗竭。

环境因素影响T细胞分化和耗竭

1.4.2 营养剥夺对免疫功能的调节

TME中的葡萄糖剥夺主要是由于癌细胞中葡萄糖消耗增加引起的，而这种剥夺已被发现可以抑制小鼠黑色素瘤和肉瘤模型中TIL的杀瘤活性。此外，由于精氨酸酶和吲哚胺-吡咯 2，3-双加氧酶 （IDO） 在 树突状细胞（DC）、髓源性抑制细胞（MDSC） 和肿瘤相关巨噬细胞 （TAM）中的强劲表达，氨基酸（如精氨酸和色氨酸）的剥夺可能会进一步损害代谢适应性并改变 TIL 中的激活和分化程序。从机制上讲，IDO活性可能由激酶GCN2的激活和mTOR活性的损害引起，该活性会从TME中消耗色氨酸并因此损害T细胞功能。此外，由色氨酸降解产生的犬尿氨酸（kynurenine）通过激活芳烃受体对 T 细胞免疫具有免疫抑制作用。此外，精氨酸消耗导致T细胞增殖，细胞因子产生和TCR表达的下降。T细胞活化也被证明需要大量蛋氨酸（methionine），蛋氨酸在细胞甲基化过程中作为甲基的供体，从而实现T细胞分化所需的表观遗传重编程。此外，最近的一项研究表明，从头丝氨酸生物合成对T细胞扩增以应对细菌感染的重要性。尽管葡萄糖、色氨酸、精氨酸、蛋氨酸和丝氨酸在 T 细胞活化和效应功能中已被证明很重要，但它们在 T 细胞耗竭中的作用仍未确定。

有趣的是，PD-1信号已被证明可以阻断有氧糖酵解，并在慢性LCMV感染期间诱导病毒抗原特异性CD8+ T细胞的代谢损伤表型。此外，来自乙型肝炎病毒（HBV），丙型肝炎病毒或HIV感染患者的病毒抗原特异性CD8+ T细胞耗竭显示出代谢适应性下降。

缺氧是另一个关键因素，慢性感染的情况下，在肿瘤中T细胞功能会因缺氧而受到抑制。缺氧可以增加共抑制受体的表达并抑制 T 细胞效应器功能。实验表明，通过调节肿瘤细胞中的氧化代谢来减少肿瘤模型（如黑色素瘤和结肠癌）中的缺氧，可以改善 T 细胞功能。相比之下，肿瘤耗氧量增加与T细胞耗竭和免疫反应减弱有关。因此，未来的研究需要阐明缺氧反应在CD8+ T细胞的耗竭和分化程序中的作用。

1.4.3 有害代谢物影响T细胞增殖

癌细胞中的高需氧糖酵解伴随着乳酸分泌的增强，从而导致富含乳酸的TME。而细胞外的高乳酸水平已被证明可以通过未知机制阻碍T细胞增殖和功能。鉴于乳酸可通过乳酸脱氢酶B生成丙酮酸和NADH，由乳酸转化为丙酮酸引起的丙酮酸生成不平衡和NADH/NAD比率升高可能通过阻碍有氧糖酵解破坏T细胞的增殖和效应功能。

此外，TME是一种富含脂质的微环境，这是由于癌细胞中的从头脂肪酸合成活性以及脂肪细胞和脂肪细胞样成纤维细胞在肿瘤中的积累。据报道，这些肿瘤相关脂质可调节各种细胞类型（包括 TAM、MDSC 和 DC）的免疫抑制特征。此外，最近的一项研究报告称，来自非小细胞肺癌患者的PD-1hi CD8+ TILs比PD-1lo CD8+ TILs有更高的脂质含量，因此表明脂质代谢异常会促进T细胞耗竭。促进脂质分解代谢可有力地增强小鼠黑色素瘤模型中CD8 + TILs的效应功能和杀瘤活性。

在 B16F10 黑色素瘤模型中，已发现调节细胞内锌代谢和某些锌指转录因子（如 GATA-3 和 IKZF2）的金属硫蛋白在功能失调的 CD8+ TIL中是上调的。此外，遗传靶向GATA-3可提高抗肿瘤活性，这些发现表明，特定的微环境应激可能阻碍T细胞的完全激活，从而通过迫使肿瘤特异性T细胞分化为干细胞样T细胞来保持其抗肿瘤能力。

1.5 T细胞耗竭中的表观重编程

尽管终末耗竭的T细胞表达大量的PD-1，PD-1阻断治疗仅可部分增加TCR信号传导，并且不会引起持久的效应功能，主要是由于细胞中的表观遗传已经被固定，因此，PD-1阻断治疗可能无法完全恢复终末耗竭的T细胞，也不能通过将耗竭的T细胞转化为记忆性T细胞来提供持久的抗肿瘤反应。

最近的研究表明，DNA结合蛋白TOX对于耗竭的T细胞的发育至关重要，并参与慢性病毒感染和肿瘤中T细胞耗竭建立过程中发生的表观遗传重塑。在慢性LCMV感染和肿瘤的背景下，TOX缺乏确实会导致与更强的抗病毒和抗肿瘤活性相关的功能，以及CD8+ T细胞中抑制受体的表达降低。

除 TOX 外，核受体转录因子 NR4a 已被证明通过协调 CD8+ TIL 和嵌合抗原受体 （CAR） T 细胞中与耗竭相关的表观遗传和转录组变化来驱动 T 细胞耗竭。NR4a的缺失改善了肿瘤特异性CD8+ T细胞和CAR-T细胞过继细胞转移中的T细胞抗肿瘤活性。

T细胞耗竭中的代谢改变影响表观重编程

1.6 线粒体活性、内质网压力与T细胞耗竭

线粒体是微调细胞代谢偏好和活性的关键细胞器，已被证明在T细胞活化过程中受到动态调节。来自慢性病毒感染和肿瘤的耗尽的T细胞表现出代谢功能不全，包括葡萄糖摄取减少和OXPHOS。此外，PGC1α在支持线粒体生物发生和抗氧化反应中具有关键作用；由于转录共激活剂PGC1α的表达降低，CD8+ TIL会失去线粒体活性。在B16小鼠肿瘤模型中，PGC1α在肿瘤特异性CD8+ T细胞中的过表达增加了线粒体生物发生并维持了效应功能。

除了PGC1α之外，最近一项使用体内CRISPR-Cas9诱变筛选的研究表明，通过靶向核糖核酸酶REGNASE-1，CD8 + T细胞被重新编程为长寿命效应细胞，改善了其线粒体适应性和抗肿瘤反应。

内质网中拥有复杂的机制，用于检测来自错误折叠和未折叠蛋白质以及生理和病理刺激（如葡萄糖剥夺）的压力。在响应未折叠和错误折叠蛋白质的积累诱导内质网应激后，伴侣蛋白BiP与激酶PERK1，应激传感器IRE1α和转录因子ATF6解离，并在内质网中结合未折叠的蛋白质。这种解离导致PERK1，IRE1α和ATF6的激活，包括PERK1和IRE1α的二聚化和自磷酸化，以及ATF6的切割，从而触发下游转录事件促进转录因子XBP1和CHOP的表达。

除了糖酵解和蛋白质糖基化受损外，CD8+ TIL中的胆固醇过载是触发内质网应激和XBP1表达的另一种机制，这反过来又进一步刺激B16肿瘤模型中抑制受体的表达，包括PD-1和自然杀伤细胞受体2B4。

此外，PERK-CHOP 信号轴在 TIL 中的升高;CHOP通过阻碍细胞因子IFNγ的产生，直接抑制转录因子Tbx21的表达，Tbx21是T细胞效应功能的关键调节因子。

总的来说，异常的代谢编程和代谢不足会诱发ER应激，从而触发T细胞耗竭。然而，内质网应激诱导的T细胞耗竭是否会导致表观遗传重编程并因此增强永久性T细胞功能障碍，以及内质网应激反应是否可以在慢性病毒感染期间驱动T细胞耗竭仍然未知。

线粒体和内质网相关信号传导在T细胞耗竭中的作用

1.7 代谢改变能否指导T细胞耗竭的表观遗传重编程

新出现的证据表明，表观遗传改变可能是将线粒体活性与核重编程联系起来的主要调节机制。由于耗竭的T细胞表现出代谢不足和线粒体活动功能失调，推测线粒体适应性和动力学的改变可能是加强T细胞耗竭表观遗传变化的驱动力。例如，组蛋白乙酰化需要乙酰辅酶A（acetyl-CoA），乙酰辅酶A是由乙酸盐，柠檬酸盐或丙酮酸的分解代谢产生的，因此表明有限的葡萄糖可用性或糖酵解代谢可能会影响染色质的可及性并进一步阻碍T细胞免疫。事实上，一项研究表明，LDHA的减少可抑制有氧糖酵解并导致乙酰辅酶A水平降低，从而降低小鼠CD4+ T细胞中Ifng位点组蛋白H3赖氨酸9残基（H3K9）的乙酰化。此外，补充乙酸盐可促进组蛋白乙酰化和染色质可及性，从而在葡萄糖限制条件下恢复CD8+ T细胞中的IFNγ。

NAD+，一种在细胞代谢中接受电子所必需的辅酶，通过调节NAD依赖性脱乙酰酶sirtuins（SIRTs）参与编辑染色质结构。NAD+水平和NAD+/NADH比率升高支持SIRT活性，从而导致非组蛋白和组蛋白的脱乙酰化。SIRT1活性降低会增加Tbx21位点的乙酰化，并导致T-bet及其靶基因的表达上调。此外，SIRT1的活性可能通过调节H3K9的乙酰化状态来影响IFNγ的产生，这表明NAD依赖性组蛋白脱乙酰化可能有助于T细胞耗竭表型。

除了组蛋白乙酰化，DNA和组蛋白甲基化在表观遗传调控中也起着至关重要的作用。组蛋白和DNA的甲基化可以分别被去甲基化酶jmjd3和TET擦除，它们需要α-KG的催化活性，并被琥珀酸盐（succinate）和富马酸盐（fumarate）抑制。有趣的是，在MC38和B16肿瘤等多种肿瘤模型中抑制谷氨酰胺代谢可防止体内CD8+ T细胞耗竭。此外，α-KG通过H3K27的去甲基化来拮抗谷氨酰胺限制对T细胞耗竭的抑制作用。总之，这些发现表明，在耗竭的T细胞中利用谷氨酰胺和产生α-KG及其拮抗剂，包括琥珀酸盐和富马酸盐，可能在协调T细胞耗竭的表观基因组和转录组变化中发挥关键作用。然而，T细胞中的线粒体功能障碍和代谢不足如何影响谷氨酰胺代谢和这些代谢物的形成仍有待确定。

1.8 通过代谢干预恢复耗竭的T细胞的效应功能

在肿瘤环境中，在 PD-1 阻断后观察到肿瘤消退，一部分患者出现持久反应；然而，相当一部分患者对治疗没有反应或最终复发，部分原因是最终耗尽的 T 细胞的形成。因此，开发具有增强治疗功效的新疗法以恢复耗竭的T细胞中的抗肿瘤活性并增加耗竭的T细胞的祖细胞的形成是当前免疫治疗中的重要问题。最近的研究表明，TIL 通过上调其他抑制性受体（如 TIM-3 或 VISTA7）对 PD-1 阻断产生抗性。在这种情况下，结合针对多种抑制性受体的阻断治疗可能会产生更理想的治疗结果。抗 PD-1 和抗 CTLA4 的联合治疗已经引起了改善的反应，并且已被美国食品和药物管理局批准用于治疗转移性黑色素瘤。

其他组合，如PD-1-LAG-3阻断和PD-1-TIM-3阻断，在提高T细胞杀瘤活性方面也具有协同作用。重要的是，如前所述，这些抑制剂受体通过不同的机制影响T细胞的代谢适应性和线粒体活性(Li 等 2019)。

根据这种可能性，直接重新调控T细胞代谢编程的策略已被证明可以促进T细胞效应功能和对PD-1阻断治疗的反应。例如，在小鼠黑色素瘤模型中，糖酵解酶磷酸烯醇丙酮酸羧化酶 1（glycolytic enzyme phosphoenolpyruvate carboxylase 1） 的过表达已被发现通过 增强Ca2+–NFAT 信号传导和效应功能改善杀瘤活性。此外，补充乙酸盐和谷氨酰胺限制可防止TME中的T细胞耗竭。

此外，改善线粒体适应性可能会使耗竭的T细胞恢复活力。例如，携带4-1BB而不是CD28共刺激结构域的第二代CAR-T细胞显示出记忆表型，并表现出增强的线粒体代谢。引人注目的是，4-1BB CAR-T细胞在白血病患者中的持续时间也更长，从而进一步突出了4-1BB在代谢重编程中的作用。通过使用IRE1α抑制剂STF-083010和PERK抑制剂改善内质网应激反应也可以增强T细胞存活并恢复效应功能。

由于终末耗竭的T细胞的表观遗传大多是固定的，因此旨在调节T细胞中的表观遗传以减少抑制性受体表达同时增加效应分子产生的疗法将是无价的。研究表明，组蛋白去乙酰酶（HDACs）的抑制促进细胞因子IFNγ和IL-2的分泌，并降低对T细胞耗竭的易感性。CAR-T细胞中去甲基化酶TET2的减少改善了CAR-T细胞的持久性，并最终控制了肿瘤的进展。这些发现表明，TET2的减少介导的DNA去甲基化可能防止T细胞耗竭并促进记忆T细胞的形成。靶向影响T细胞表观基因组的代谢程序也可能被用于开发新的癌症治疗方法。

1.9 未来展望和目前未解决的问题

在协调T细胞分化程序时，线粒体如何与ER和细胞核进行信号交流？

线粒体活性和ER应激反应是否会影响表观基因组，从而加强T细胞耗竭？

我们能否通过代谢干预重编程T细胞耗竭中的表观基因组？

转录因子是否可以控制祖细胞耗竭和终末耗竭状态，从而用于干预T细胞代谢程序？

1.10 文献注解

Chang, C. H.和Ho, P. C.表明葡萄糖剥夺抑制T细胞抗肿瘤免疫，可以通过代谢重编程增强。

Alfei, F.表明 TOX 是慢性病毒感染期间维持T细胞耗竭的关键转录因子。

Ghoneim, H. E.揭示了终末耗竭的T细胞显示出独特的表观遗传特征，这抑制了T细胞效应功能和PD-1阻断治疗的有效性。

Scharping, N. E.提供了功能失调的线粒体与抗肿瘤免疫力下降之间联系的证据。

Ma, X.表明肿瘤微环境中的胆固醇通过内质网应激的XBP1通路驱动T细胞耗竭。

Miller, B. C.发现耗竭的CD8+ TIL的TCF1+亚群，并在抗PD-1治疗中有重要作用。

Bantug, G. R.强调了线粒体-内质网相互作用在记忆CD8+ T细胞免疫代谢调节中的重要性。

1.11 参考文献

Alfei, Francesca, 和 Dietmar Zehn. 2017. 《T Cell Exhaustion: An Epigenetically Imprinted Phenotypic and Functional Makeover》. Trends in Molecular Medicine 23 (9): 769–71. https://doi.org/10.1016/j.molmed.2017.07.006.

Bantug, Glenn R., Marco Fischer, Jasmin Grählert, Maria L. Balmer, Gunhild Unterstab, Leyla Develioglu, Rebekah Steiner, 等. 2018. 《Mitochondria-Endoplasmic Reticulum Contact Sites Function as Immunometabolic Hubs that Orchestrate the Rapid Recall Response of Memory CD8+ T Cells》. Immunity 48 (3): 542–555.e6. https://doi.org/10.1016/j.immuni.2018.02.012.

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Miller, Brian C., Debattama R. Sen, Rose Al Abosy, Kevin Bi, Yamini V. Virkud, Martin W. LaFleur, Kathleen B. Yates, 等. 2019. 《Subsets of exhausted CD8+ T cells differentially mediate tumor control and respond to checkpoint blockade》. Nature Immunology 20 (3): 326–36. https://doi.org/10.1038/s41590-019-0312-6.

Scharping, Nicole E., Ashley V. Menk, Rebecca S. Moreci, Ryan D. Whetstone, Rebekah E. Dadey, Simon C. Watkins, Robert L. Ferris, 和 Greg M. Delgoffe. 2016. 《The Tumor Microenvironment Represses T Cell Mitochondrial Biogenesis to Drive Intratumoral T Cell Metabolic Insufficiency and Dysfunction》. Immunity 45 (2): 374–88. https://doi.org/10.1016/j.immuni.2016.07.009.

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