NK 细胞及其免疫疗法在肿瘤免疫治疗中的应用

王赛飞,荀敬,武雪亮,张晖,张琦,张大鹏*

(1. 天津大学医学工程与转化医学研究院,天津 300072;2. 天津大学中西结合医院,天津 300100;3. 河北北方学院附属第一医院,河北张家口 075000)

肿瘤的发生、发展与免疫系统机能相关。 肿瘤细胞的增殖会对免疫微环境的稳态平衡造成一定程度的破坏[1];免疫系统内的免疫细胞和炎症细胞及其分泌的趋化因子、细胞因子,可以在肿瘤的产生和发展进程中发挥一定的调控作用[2-3]。 肿瘤免疫治疗作为新式的肿瘤医治手段,弥补了手术、放疗、化疗“不完全、易转移、副作用大”的弊端。 NK细胞作为机体先天免疫系统高度专业化的淋巴细胞,无需抗原刺激即可杀伤肿瘤细胞,因此在肿瘤免疫反应中具有独特优势。 随着医疗技术的发展和基础医学研究的深入,基于NK 细胞的免疫疗法在肿瘤免疫治疗领域取得重要突破。 本文简要总结了NK 细胞的发育、分类、作用机制,以及包括免疫检查点抑制剂、过继NK 细胞疗法、NK 细胞接合器在内的基于NK 细胞免疫疗法在肿瘤免疫中的应用,进一步了分析基于NK 细胞免疫治疗在肿瘤免疫中的应用发展趋势。

1 NK 细胞的发育和分类

NK 细胞属于先天淋巴细胞[4-5],占总淋巴细胞循环数的5% ~ 15%[6]。 NK 细胞在机体内由CD34+造血祖细胞发育,通过共同淋巴细胞祖细胞逐渐上调CD56、下调CD34,得以分化并在骨髓和淋巴器官中成熟。 人体的NK 细胞在血液中的周转时长大约为2 周[7],在体内增殖时间约13.5 d[8]。 NK细胞被定义为CD3-CD16+CD56+的细胞,依据CD56的表达水平可分为CD56dim和CD56bright[9]两个不同功能和表型的亚群。 CD56dim细胞表达杀伤细胞免疫球蛋白样受体和CD16,主要存在于血液中,发挥细胞毒作用。 而CD56bright细胞毒性较弱,主要存在于淋巴结中,可产生细胞因子发挥免疫调节作用。

2 NK 细胞的作用机制

2.1 抗体依赖的细胞介导的细胞毒性作用

抗体依赖的细胞介导的细胞毒性(antibody dependent cellular ctotoxicity,ADCC)是一种主要由NK 细胞介导的强有力的细胞毒性机制,是NK 细胞杀伤肿瘤细胞的关键机制。 在人IgG 的FcR 受体中,CD16a 主要负责触发NK 细胞介导的ADCC。CD16a 识别IgG 调理的靶点后,NK 细胞通过释放细胞毒性分子来诱导靶细胞的死亡。 McMichael 等[10]的临床研究表明:将西妥昔单抗与IL-12 联用治疗复发或转移性头颈部鳞状细胞癌患者,无进展生存期大于100 d 患者的NK 细胞在体外的ADCC 效应强于无进展生存期小于100 d 患者的NK 细胞。 此外,通过抑制肿瘤坏死因子-α 转换酶表达、工程化抗体、NK 细胞接合器、调节NK 细胞代谢途径等方式也可以增强NK 细胞ADCC 效应[11]。 靶向CD16a 有助于解决当前肿瘤免疫治疗的一些局限性,最大限度地增强ADCC。 因此,深入了解CD16a的作用机制,有利于寻找有效增强ADCC 的策略,进而提升NK 细胞的抗肿瘤活性。

2.2 直接杀伤

NK 细胞可以通过分泌穿孔素直接对靶细胞造成杀伤。 NK 细胞与靶细胞接触激发颗粒胞吐,释放的穿孔素通过聚合作用在靶细胞的表面形成小孔来介导杀伤。 值得关注的一点是:靶细胞被穿孔素成功杀伤,而NK 细胞本身却可以幸存。 Li 等[12]研究表明在穿孔素被释放到NK 细胞与靶细胞之间后,穿孔素致密的脂质膜与NK 细胞膜融合,进而增强了NK 细胞膜,这使NK 细胞得以存活。 此外,还发现一种侵袭性乳腺癌的癌细胞也可以通过强化细胞膜来逃避NK 细胞的杀伤。 目前还不能确定这种强化细胞膜逃避杀伤的机制是否具有普遍性,在具有普遍性的情况下,通过破坏肿瘤细胞的细胞膜来提高免疫系统的免疫能力不失为一种有前景的免疫治疗方法。 此外,Zheng 等[13]研究从全新的细胞膜拓扑学角度诠释了肿瘤来源NK 细胞功能紊乱和免疫逃逸的新机制,也为提高NK 细胞的免疫治疗提供新策略。 NK 细胞这一特性使其在免疫治疗中脱颖而出。

2.3 诱导细胞凋亡

NK 细胞通过表达肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体( TNF related apoptosis inducing ligand,TRAIL)和Fas(Fas cell surface death receptor)配体来诱导表达TRAIL 受体的靶细胞和CD95+靶细胞发生内源酶级联反应,进而诱导靶细胞凋亡[14]。Pan 等[15]研究发现线粒体凋亡在NK 细胞介导的杀伤中发挥着重要作用,激活线粒体凋亡途径使癌细胞对NK 细胞的敏感度增强。 此外该研究测试NK细胞与BH3 mimetics 组合的方法可能也适用于基于T 细胞的免疫疗法,为后续相关的临床试验奠定了基础。

NK 细胞能够穿越血脑屏障,进入脑部肿瘤组织中。 Fares 等[16]指出NK 细胞疗法相较于传统治疗是一种新颖、具有前景的治疗脑肿瘤的方式。 此外,NK 细胞还能够通过分泌多种趋化因子、生长因子和细胞因子,与其他免疫细胞(如DC、T、巨噬细胞等)相互作用,激活机体适应性免疫应答进而抑制肿瘤进展[17]。

3 基于NK 细胞的免疫疗法在肿瘤免疫中的应用

3.1 免疫检查点抑制剂

随着免疫治疗成为治疗肿瘤的一种重要方式,靶向免疫检查点的抑制也成为了免疫治疗的一种新方法。 过去,免疫检查点抑制剂主要针对T 细胞,如今以NK 细胞为靶点的免疫检查点抑制剂成为了新的研究方向。

3.1.1 靶向PD-1/PD-L1 抑制剂

程序性死亡受体1(programmed cell death-1,PD-1)作为一种重要的免疫抑制分子,在CD4+、CD8+T 细胞、NK 细胞、NKT 细胞、B 细胞和其他先天淋巴细胞中均有表达。 研究表明PD-1 在近四分之一的健康个体外周血淋巴细胞上高表达[18]。 在胃癌、食管癌、肝癌和结直肠癌等癌症中,PD-1 在外周血及肿瘤浸润NK 细胞上的表达上调[19]。 PD-1+NK 细胞较PD-1-NK 细胞细胞毒性小、产生细胞因子和能力也较低[20]。 近年来靶向PD-1/PD-L1 抑制剂有效应用于血液肿瘤和实体瘤的治疗[21-22]。帕博利珠单抗、德瓦鲁单抗通过阻断PD-1/PD-L1进而激活人非小细胞肺癌中的PD1+NK 细胞,发挥了高效的抗肿瘤免疫作用[23-24]。 目前对PD-1 在NK 细胞上的表达机制及其是否能够直接抑制NK细胞功能尚不明确,还有待进一步的探索研究。

3.1.2 靶向TIGIT 抑制剂

具有Ig 和免疫受体酪氨酸抑制基序结构域的T细胞免疫受体(T cell immunoreceptor with Ig and ITIM domains,TIGIT)是一种表达于NK 细胞和T 细胞表面的Ig 超家族受体,在限制适应性和固有免疫中发挥着举足轻重的作用[25]。 TIGIT 在肿瘤浸润的NK 细胞中高表达[26],能够直接抑制NK 细胞的功能。 在小鼠和人体内,TIGIT 可以抑制NK 细胞因子和脱颗粒的产生及NK 细胞介导的CD155+肿瘤细胞的细胞毒性[27-28]。 Chauvin 等[29]研究指出TIGIT抑制剂与IL-15 联用可使NK 细胞对黑色素瘤的细胞毒性得到增强,并减少小鼠黑色素瘤模型中的肿瘤转移。 此外,联合PD-1/TIGIT 抑制剂与单独TIGIT 抑制剂相比能够显著增强CD8+T 细胞免疫能力[30],同时引起移植实体瘤小鼠的肿瘤排斥反应[31]。 目前,全球已研发出多款靶向TIGIT 药物,其中近20 款进入1 期临床,近10 款进入2 期临床,至少5 款进入3 期临床。 TIGIT 抑制剂相关的联合疗法在不久的将来会更具应用前景。

3.1.3 靶向NKG2A 抑制剂

NKG2A(NK Group 2 family of receptor A)是属于NK 细胞受体家族2 中抑制性的受体[32],也称为CD94。 在CD8+T 细胞在内的部分T 细胞和NK 细胞表面均有表达[33]。 外周血中近50%的NK 细胞表达CD94/NKG2A。 HLA-E 作为NKG2A 的唯一配体,在正常组织细胞中表达水平较低,而在肿瘤浸润的NK 细胞、CD8+T 细胞和肿瘤细胞中高表达[34]。 André 等[35]研究指出阻断CD8+T 细胞和NK 细胞上的NKG2A 与癌细胞上的HLA-E 的相互作用,可以刺激抗肿瘤免疫。 Cohen 等[36]研究表明将NKG2A 抑制剂与西妥昔单抗联用治疗复发或转移的头颈部鳞状细胞癌可以得到更好的治疗效果。总的来说,阻断NKG2A 是一种十分有效的免疫治疗方法,尤其是与免疫肿瘤治疗药物的联用更是有着不错的开发和应用前景。

3.2 过继NK 细胞疗法

3.2.1 NK 细胞输注

NK 细胞输注治疗方法是将体外诱导培养的NK 细胞输注到肿瘤患者体内,具体包括自体NK 细胞输注和同种异体NK 细胞输注。 Marofi 等[37]研究表明,自体供体NK 细胞表面杀伤细胞免疫球蛋白样受体(killer cell immunoglobulin-like receptors,KIRs)与肿瘤细胞表面的人类白细胞抗原并不匹配,这将阻止KIR 向下游传递抑制性信号;相比之下,异体来源的活化NK 细胞能够有效发挥抗肿瘤免疫活性。 Lin 等[38]发现,将帕米珠单抗与同种异体的NK 细胞一起注射到进展期非小细胞肺癌患者体内,能有效延长患者生存时间至18.5 个月。 随着NK 细胞纯化技术以及扩增技术的不断改进,NK 细胞输注有望成为过继性免疫治疗的重要组成部分。

3.2.2 CAR-NK 细胞疗法

嵌合抗原受体(chimeric antigen receptor,CAR)是由基因工程技术制造的人工受体分子,能够提高免疫细胞特异性识别抗原的能力并增强其活化的功能[39]。 目前CAR-T 疗法已经被广泛应用于各种肿瘤的细胞免疫治疗中,但CAR-T 治疗中存在细胞因子释放综合征(cytokine release syndrome,CRS)、移植物抗宿主病(graft-versus-host disease,GVHD)和免疫效应细胞相关神经毒性综合征(immune effector cell-associated neurotoxicity syndrome,ICANS) 的问题[40]。 CAR-NK 治疗中NK 细胞来源主要包括从外周血、脐带血或体外培养的NK 细胞系,与CAR-T相比,CAR-NK 来源更加稳定,且副作用更少[41-42]。Frey 等[43]研究指出可能是由于激活的NK 细胞不释放诱导CRS 的关键细胞因子IL-6,从而避免了CRS。 NK 细胞可以在没有抗原刺激或人类白细胞抗原匹配的情况下靶向肿瘤细胞,也避免了GVHD反应[44]。 此外CAR-NK 还可以通过表达激活型受体DNAM-1(CD226)、天然细胞毒性受体和NKG2D来识别癌细胞,与CAR-T 细胞相比具有更高的靶向功效[39-45]。 Teng 等[46]指出以前列腺干细胞抗原为靶点的CAR-NK 疗法能够显著抑制胰腺癌进程。虽然与CAR-T 细胞相比,CAR-NK 细胞具有其独特的优势,但仍存在一些挑战,其中包括NK 细胞对基因工程的抗性、NK 细胞的增殖潜力和对输注的持久性有限。

3.3 NK 细胞接合器(NK cell engagers,NKCEs)

3.3.1 CD16A-NKCEs

CD16A 含两个胞外Ig 样结构,同时是IgG 抗体Fc 片段的受体[47]。 抗原结合的IgG 与CD16A 之间相互作用,可以诱导细胞内免疫受体酪氨酸的磷酸化[48]。 AFM24 是Affimed 公司利用重定向优化细胞杀伤(ROCK®)抗体平台开发的一种针对先天免疫NK 细胞上的CD16A 和肿瘤细胞上的EGFR(epidermal growth factor receptor)的双特异性IgG1-scFv 融合抗体。 有研究表明,AFM24 可有效靶向表达同水平人表皮生长因子受体的肿瘤[49]。 Oberg等[50]和Habif 等[51]研究表明在癌症中存在CD16A在肿瘤浸润淋巴细胞上的表达被下调,肿瘤浸润NK 细胞中CD16A 表达的缺失可能会降低治疗性单克隆抗体的疗效。 尽管如此,CD16A-NKCEs 在血液系统恶性肿瘤的临床研究中仍发挥了显著作用。

3.3.2 NKG2D-NKCEs

NKG2-D 型整合膜蛋白(NKG2D)是一种激活性受体,一般表达于NK、NKT、γδT 亚群和CD8+T细胞亚群。 包含Fab 片段的NKG2D-NKCEs 同时结合肿瘤细胞上的乳腺癌预后判断因子(HER2)和NK 细胞上的NKG2D,可通过未受刺激的NK 细胞触发体外细胞毒性[52]。 将含有抗肿瘤抗原抗体片段的免疫偶联物与天然NKG2D 配体串联,进而诱导NKG2D 激活引起抗肿瘤免疫。 Wang 等[53]研究表明此方式可有效激活NK 细胞介导的抗肿瘤抗原表达细胞的细胞毒性,并且在临床前模型的体内发挥活性作用。 NKG2D-NKCEs 为多发性骨髓瘤提供了新的治疗方式,且极具临床应用潜力。

对NK 细胞的免疫疗法在肿瘤免疫中的应用进行简单的总结(见表1),为进一步深入研究NK 细胞在免疫系统中的作用和激活NK 细胞的机理,基于NK 细胞的肿瘤免疫疗法将拥有更为广泛的应用前景。

表1 基于NK 细胞的免疫疗法在肿瘤免疫中的应用Table 1 Applications of NK cell-based immunotherapy in tumor immunology

4 展望

NK 细胞是先天免疫的重要组成部分,在抗肿瘤形成中发挥着关键作用。 此外NK 细胞能直接通过ADCC 溶解肿瘤细胞;清除初级免疫反应中因主要组织相容性复合体受损的细胞;联合PD-1 治疗可提高PD-1 抗体的反应率;招募DC、T、巨噬细胞协同发挥作用,在肿瘤免疫治疗中占有很大优势。因此,在基础研究和临床试验中继续深入研究NK细胞的抗肿瘤机制对于开发新型免疫疗法是十分必要的。 此外,未来的免疫治疗可尝试将先天免疫和适应性免疫有效结合以获得更好的治疗效果。