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Basic Scientific Research
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胰腺癌免疫异质性研究:不同髓系生态位决定T细胞进入
探索生命空间,助力基础研究

PREFACE 00

前言

胰腺导管腺癌(PDAC)经常被概括为典型的“免疫冷肿瘤”:肿瘤间质致密,髓系细胞丰富,真正能够进入肿瘤实质并发挥杀伤作用的CD8⁺T细胞有限。这一框架能够解释PDAC为什么整体上对免疫检查点治疗反应较差,却容易掩盖一个越来越重要的现象——不同患者、甚至同一块肿瘤内部,T细胞浸润程度可以存在非常明显的差异。

部分PDAC高度富集单核/巨噬细胞、中性粒细胞等髓系细胞,T细胞和B细胞相对稀少;另一些肿瘤则具有明显更多的适应性免疫细胞,并出现T细胞克隆扩增。即使在同一个肿瘤中,也可以同时存在髓系细胞占优势的免疫排斥区和相对允许淋巴细胞进入的区域。

这意味着PDAC免疫抑制不能只用“有没有CD8⁺T细胞”来描述。

更值得研究的是,肿瘤内部究竟形成了什么样的局部髓系生态位,以及这些生态位如何决定T细胞能不能到达癌细胞附近。

近期研究已经提供了一个很有价值的例子。PDAC中部分TNF-α高表达区域同时富集CD68⁺巨噬细胞,而CD3⁺、CD4⁺和CD8⁺T细胞明显减少。与此同时,巨噬细胞来源TNF-α还能改变癌细胞的AP-1相关谱系程序,使相对分化的经典型状态向炎症性更强、侵袭性更高的基底样状态偏移。癌细胞状态变化又可以进一步影响CCL2等髓系募集信号,从而形成癌细胞和髓系生态位相互强化的反馈。

因此,PDAC中的T细胞排斥可能并非单纯由致密胶原构成一道物理屏障。癌细胞状态、巨噬细胞、趋化因子、成纤维细胞和局部基质共同形成空间上高度组织化的免疫生态。

对于基础科研而言,真正值得进一步拆解的问题是:哪一种髓系细胞在阻止T细胞进入,哪一种髓系状态反而允许T细胞募集,癌细胞如何主动决定周围形成哪一种髓系生态,以及这种局部免疫状态能否被重新转换。

导读

一、胰腺癌为什么不能再简单定义为“免疫冷肿瘤”

二、髓系富集与适应性免疫富集代表什么

三、T细胞能否进入取决于局部空间生态

四、巨噬细胞如何形成T细胞排斥区

五、癌细胞状态如何反向塑造髓系生态位

六、不同髓系细胞需要怎样重新分类和研究

七、细胞与动物模型应该如何组合

八、如何建立髓系生态位与T细胞进入的因果闭环

九、检测指标如何保留空间和功能信息

十、这一方向还能继续往哪些问题推进

十一、髓系生态位研究最容易出现哪些实验偏差

SECTION 01

01

胰腺癌为什么不能再简单定义为“免疫冷肿瘤”

1、不同PDAC的免疫组成差异很大

PDAC整体确实具有明显免疫抑制特征,但患者之间并不存在完全统一的免疫组成。

已有研究可以将部分PDAC概括为髓系富集型和适应性免疫富集型。

髓系富集型肿瘤中,单核细胞来源巨噬细胞、免疫调节型髓系细胞等比例较高,而B细胞和T细胞相对较少。这类肿瘤通常具有更明显的免疫抑制环境,并与较差的生存相关。

适应性免疫富集型肿瘤则拥有更多T细胞和B细胞,并可以观察到明显的T细胞克隆扩增。

但这里还不能简单得出“有T细胞就代表抗肿瘤免疫有效”。

适应性免疫富集型肿瘤中同样可以存在高度活化的调节性T细胞、衰老样T细胞以及其他抑制程序。也就是说,PDAC免疫异质性至少存在两个层级:

第一个层级是T细胞能不能进入;

第二个层级是进入以后还能不能发挥杀伤功能。

本文重点讨论第一层——髓系生态位如何决定T细胞进入肿瘤。

2、同一个肿瘤内部也存在免疫冷热分区

患者之间存在差异还比较容易理解,更重要的是同一块PDAC组织内部也存在明显区域差异。

有些区域富含髓系细胞、炎症因子和基底样癌细胞,同时T细胞较少;另一些区域则可以出现更多淋巴细胞和相对分化的癌细胞状态。

因此,如果把整个肿瘤研磨后进行流式、蛋白或转录检测,得到的是多个完全不同生态位的平均值。

例如一个样本整体CD8⁺T细胞并不少,并不代表这些T细胞已经进入癌细胞所在区域。它们可能主要停留在肿瘤外围、间质或局部淋巴结构附近。

这也是为什么PDAC免疫研究越来越需要保留空间信息。

SECTION 02

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髓系富集与适应性免疫富集代表什么

1、关键不在“髓系细胞多”,而在髓系细胞组成

髓系细胞本身包括多个功能完全不同的群体,例如单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞以及具有免疫抑制功能的髓系细胞状态。

将它们全部合并成CD11b⁺或者“髓系细胞”后,很容易得到一个信息量很低的结论:

髓系细胞多,T细胞少。

更有价值的是进一步拆开谁在做什么。

髓系群体重点功能对T细胞进入的潜在影响
单核来源巨噬细胞炎症、趋化、免疫抑制可形成T细胞排斥生态
组织驻留巨噬细胞稳态与局部免疫调节功能依具体生态位而变
中性粒细胞/粒细胞样抑制细胞ROS、精氨酸代谢、胞外诱捕网等限制T细胞进入和功能
树突状细胞抗原呈递、T细胞启动有利于形成有效T细胞反应
免疫调节型髓系细胞抑制抗原呈递和T细胞效应促进免疫逃逸

所以髓系生态位研究真正需要回答的,是不同髓系群体的比例、状态和空间关系怎样共同决定T细胞流入。

2、髓系细胞和T细胞不是简单的数量竞争

髓系细胞增加并不会机械地把T细胞“挤出去”。

真正产生作用的是趋化因子、细胞因子、代谢物、ECM和抗原呈递功能。

例如某些髓系状态可以提高CCL2、TNF-α、IL-6等炎症信号,却缺乏足够CXCL9和CXCL10等效应T细胞趋化因子。

结果就会出现一种看起来“很炎症”的肿瘤,却没有真正有效的CD8⁺T细胞进入。

因此,“炎症高”和“抗肿瘤免疫强”在PDAC中完全可能同时分离。

SECTION 03

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T细胞能否进入取决于局部空间生态

1、T细胞浸润至少需要三个连续步骤

研究T细胞进入PDAC时,可以把过程拆成三个层级。

1、募集

肿瘤内部首先需要形成能够吸引效应T细胞的趋化因子梯度,例如CXCL9和CXCL10。

2、穿越

T细胞需要通过血管内皮、基质和CAF丰富区域,真正进入肿瘤组织。

3、接近癌细胞

进入肿瘤以后,T细胞还需要到达癌细胞附近,形成能够发生免疫突触和杀伤的空间关系。

因此,单纯统计CD8⁺T细胞总量只能覆盖其中一部分。

一个真正意义上的“T细胞排斥型肿瘤”可能具有一定数量的CD8⁺T细胞,只是这些细胞被限制在基质或肿瘤外围。

2、建议把“距离”变成核心指标

如果研究不同髓系生态位,可以直接把空间距离量化。

例如:

CD8⁺T细胞到癌细胞的最近距离;

CD8⁺T细胞到CD68⁺巨噬细胞的距离;

TNF-α高表达区和低表达区的CD8密度;

肿瘤中心和侵袭前沿的T细胞比例;

髓系细胞高密度区内的CD8排斥指数。

这些指标不需要依赖复杂空间组学。

多重免疫荧光结合数字病理已经可以完成大量关键问题。

SECTION 04

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巨噬细胞如何形成T细胞排斥区

1、TNF-α高区域是一个很典型的髓系生态位

PDAC组织中TNF-α具有明显空间异质性。

TNF-α高表达区域通常伴随更多CD68⁺巨噬细胞,同时CD3⁺、CD4⁺和CD8⁺T细胞浸润减少。

这说明TNF-α在PDAC中不能简单理解成“促炎,所以应该增强免疫”。

在特定局部环境中,持续TNF-α反而可能维持一种髓系细胞丰富、淋巴细胞排斥的慢性炎症状态。

2、巨噬细胞既产生信号,也组织空间

巨噬细胞可以通过多种途径限制T细胞。

一部分作用来自可溶性因子,例如TNF-α、IL-6和其他免疫调节分子。

另一部分来自与CAF和ECM之间的相互作用。

巨噬细胞可以促进成纤维细胞活化和基质重塑,致密基质进一步增加T细胞迁移阻力;CAF产生的CXCL12等信号又可以继续限制T细胞接近肿瘤细胞。

因此,真正的“巨噬细胞生态位”往往同时包含:

巨噬细胞;

CAF;

ECM;

局部趋化因子;

癌细胞状态。

如果只在巨噬细胞单独培养体系中做完机制,很难完整解释体内T细胞排斥。

3、TNF-α需要放到空间和时间中理解

TNF-α短期内可以产生强烈炎症反应,但肿瘤长期暴露于TNF-α时,结果可能发生变化。

持续TNF-α可以改变癌细胞谱系状态,同时重塑髓系和淋巴细胞比例。

因此,后续实验最好增加短期和长期两个刺激窗口。

如果短时间TNF-α增强炎症,而长期刺激逐渐形成巨噬细胞富集和T细胞排斥,就能够解释为什么慢性炎症最终会转向免疫抑制。

SECTION 05

05

癌细胞状态如何反向塑造髓系生态位

这一方向最有价值的地方之一,是髓系生态位并不是宿主单方面形成的。

癌细胞也在主动决定自己周围出现什么样的免疫细胞。

1、经典型和基底样PDAC具有不同炎症输出

PDAC癌细胞可以处于相对分化的经典型状态,也可以进入更低分化、更侵袭的基底样状态。

其中AP-1相关转录程序具有重要作用。

JUNB更有利于维持经典型状态,而cJUN相关程序增强后,肿瘤细胞可以增加炎症和髓系募集信号,例如CCL2,从而促进巨噬细胞进入。

于是形成:

癌细胞状态改变→髓系募集改变。

2、巨噬细胞又可以把癌细胞继续推向基底样状态

进入局部区域的巨噬细胞产生TNF-α以后,又可以压低JUNB、GATA6等经典型相关程序,进一步强化基底样状态。

这样就出现了反馈环:

基底样癌细胞增加髓系募集→巨噬细胞增加→TNF-α升高→经典型身份进一步丢失→基底样状态继续增强。

与此同时,T细胞进一步减少。

这说明癌细胞谱系可塑性和免疫排斥可能属于同一个过程的两个结果。

3、研究免疫生态位时不能忽略癌细胞身份

如果实验只研究巨噬细胞,很容易漏掉为什么同一个巨噬细胞进入不同PDAC区域后会产生不同结果。

癌细胞本身提供的CCL2、TNF相关信号、代谢物和ECM调控都会反向塑造髓系细胞。

因此,后续研究最好同步检测GATA6、JUNB、cJUN、KRT5等癌细胞状态指标。

这可以直接回答:

究竟是哪一种癌细胞状态在制造T细胞排斥生态位。

SECTION 06

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不同髓系细胞需要怎样重新分类和研究

1、巨噬细胞不建议继续停留在M1/M2

PDAC中的巨噬细胞具有明显的连续状态。

CD163、MRC1等可以作为辅助指标,但无法完整概括功能。

更有信息量的评价方式包括:

细胞来源;

空间位置;

TNF-α、CCL2、CXCL9等功能分子;

对T细胞迁移的实际影响;

对癌细胞谱系状态的影响。

真正需要定义的是功能,而不是给每一个巨噬细胞贴一个M1或M2标签。

2、中性粒细胞需要和巨噬细胞拆开

PDAC中中性粒细胞增加同样与不良免疫环境相关。

中性粒细胞和T细胞的比例甚至可以形成具有预后价值的组织指标。

但中性粒细胞影响T细胞的机制与巨噬细胞不同,可能涉及活性氧、精氨酸代谢、趋化因子以及中性粒细胞胞外诱捕网。

因此,如果模型中同时存在大量Ly6G⁺和巨噬细胞,不能把二者全部归为“髓系抑制”。

应该分别耗竭或干预,判断究竟哪一群真正控制T细胞进入。

3、树突状细胞是髓系生态中容易被忽略的“正向变量”

讨论髓系抑制时,很多研究只研究如何减少巨噬细胞和中性粒细胞。

但T细胞产生有效抗肿瘤反应还需要树突状细胞完成抗原摄取、呈递和启动。

所以一个真正有利于T细胞的髓系生态位,不只是“少一些抑制性巨噬细胞”,还需要保留或者恢复具有抗原呈递能力的树突状细胞。

后续实验可以同时比较:

巨噬细胞减少后T细胞是否增加;

树突状细胞功能是否同步恢复;

进入的T细胞是否真正获得肿瘤反应性。

这样可以把“允许T细胞进入”和“建立有效抗肿瘤免疫”继续连接起来。

SECTION 07

07

细胞与动物模型应该如何组合

1、第一层:癌细胞—巨噬细胞

可以使用经典型和基底样PDAC细胞或类器官,分别与骨髓来源巨噬细胞共培养。

重点观察:

癌细胞CCL2等募集信号;

巨噬细胞TNF-α;

癌细胞JUNB/cJUN、GATA6变化;

巨噬细胞功能状态。

通过TNF-α、CCL2等节点阻断,可以先把癌细胞和巨噬细胞的双向关系做清楚。

2、第二层:加入T细胞迁移

在癌细胞—巨噬细胞体系基础上加入CD8⁺T细胞。

Transwell可以用于早期研究趋化,但最好进一步使用三维胶原或类器官体系。

例如将癌细胞类器官放在中央,巨噬细胞分布在基质中,再加入荧光标记T细胞。

可以直接评价:

进入类器官周围的T细胞数量;

迁移速度;

与癌细胞的空间距离;

不同巨噬细胞状态下的进入差异。

这样比单纯检测CXCL9/CXCL10更接近真正的“T细胞进入”。

3、第三层:免疫完整原位模型

真正研究髓系生态位,建议使用免疫完整动物。

KPC来源PDAC细胞原位植入同系C57BL/6小鼠是一种操作相对可控的体系,可以保留肿瘤相关巨噬细胞、T细胞和胰腺组织环境。

如果需要更接近自然发生过程,可以进一步使用KPC遗传模型。

两类模型功能不同:

模型主要优势更适合的问题
KPC来源原位移植周期短、干预方便髓系耗竭、细胞因子和治疗实验
KPC遗传模型自然演进、基质更完整生态位形成时间和长期免疫变化
皮下模型操作简单初步药理验证
类器官原位移植可控制癌细胞遗传状态癌细胞状态与免疫生态互作

如果研究重点是T细胞进入和胰腺髓系生态,皮下模型更适合作为补充,不宜承担全部结论。

SECTION 08

08

如何建立髓系生态位与T细胞进入的因果闭环

这类课题最容易做成“巨噬细胞多、T细胞少”的相关性。

真正的因果验证至少需要四层。

1、改变癌细胞状态

例如提高或降低cJUN/JUNB相关程序。

观察CCL2、巨噬细胞募集以及T细胞空间分布是否同步改变。

这一层证明癌细胞能够主动决定周围免疫生态。

2、直接改变髓系生态

可以进行巨噬细胞耗竭、特定髓系群体干预或者TNF-α/CCL2相关阻断。

如果癌细胞本身没有直接改变,但CD8⁺T细胞进入明显增加,就证明髓系细胞位于中间功能层。

3、恢复关键趋化信号

如果抑制性髓系生态伴随CXCL9/CXCL10不足,可以进一步直接恢复这些趋化信号。

如果T细胞重新进入,则可以把髓系状态进一步连接到具体迁移机制。

4、最终证明T细胞具有功能

最后需要耗竭CD8⁺T细胞或者进行功能阻断。

如果髓系生态干预原本能够抑制肿瘤,而CD8⁺T细胞耗竭以后这一效果明显消失,才能说明最终抗肿瘤作用真正依赖T细胞。

完整链条可以概括为:

癌细胞状态→髓系募集与状态→趋化/基质生态→T细胞进入→T细胞杀伤→肿瘤控制。

SECTION 09

09

检测指标如何保留空间和功能信息

PDAC免疫异质性研究不需要无限增加免疫标志物,重点应该围绕空间、状态和功能三层。

研究层级推荐指标主要问题
癌细胞状态GATA6、JUNB、cJUN、KRT5等癌细胞处于什么谱系状态
巨噬细胞CD68/F4/80、CD163/MRC1、TNF-α、CXCL9哪种髓系状态正在形成
中性粒细胞Ly6G/MPO及功能指标是否形成第二类髓系排斥
树突状细胞CD11c、MHC-II及相关亚群指标抗原呈递是否保留
T细胞进入CD3、CD8、肿瘤内/基质分布T细胞能不能进入
T细胞功能IFN-γ、Granzyme B、Ki67等进入后是否有效
空间关系CD8到癌细胞/髓系细胞距离生态位是否真正限制接触
最终功能肿瘤负荷、生存、转移免疫改变是否具有疾病意义

1、空间位置比单纯比例更重要

一个肿瘤中CD8⁺T细胞比例从5%提高到8%,不一定代表免疫明显改善。

如果增加的细胞仍然全部位于外围间质,真正与癌细胞接触的数量没有变化,抗肿瘤意义可能有限。

建议优先建立:

肿瘤内CD8密度;

间质CD8密度;

癌细胞周围一定距离内CD8数量;

CD8与巨噬细胞空间共定位。

2、最好定义局部生态位,而不只是整块肿瘤

可以按照TNF-α高低、巨噬细胞密度或癌细胞谱系状态划分局部区域。

随后比较每种区域的:

CD8密度;

巨噬细胞状态;

CAF和ECM;

癌细胞状态。

这样更容易回答“什么生态位允许T细胞进入”。

SECTION 10

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这一方向还能继续往哪些问题推进

当前研究已经证明PDAC存在明显的髓系富集和空间免疫异质性。如果新的课题只重复“髓系细胞多,CD8少”,创新空间已经有限。

1、什么决定髓系生态位最初在哪里形成

同一个肿瘤中只有部分区域形成TNF-α高、巨噬细胞富集和T细胞排斥。

为什么偏偏是这些区域?

可能与癌细胞基底样状态有关,也可能与缺氧、坏死、神经、血管或CAF状态相关。

后续最值得做的是找到“空间起点”。

例如先出现cJUN高癌细胞,随后才招募巨噬细胞;或者先出现特定血管/CAF生态,再把癌细胞推向基底样。

通过早期时间序列可以区分因果方向。

2、髓系生态位是否存在可逆转换

髓系细胞本身高度可塑。

如果短期阻断TNF-α、CCL2或者其他关键节点以后,巨噬细胞可以从T细胞排斥状态快速转向CXCL9高表达状态,就说明髓系生态具有较强可逆性。

如果需要长期重建,甚至必须改变CAF和癌细胞状态以后才能恢复T细胞进入,则说明已经形成更稳定的生态位记忆。

这个问题比单纯找新的巨噬细胞标志物更有价值。

3、治疗是否会选择性留下髓系排斥区域

化疗可以杀死大量增殖中的癌细胞,但不同区域的肿瘤和基质反应并不一致。

治疗以后是否 preferentially 留下巨噬细胞富集、T细胞排斥的区域,非常值得研究。

可以比较治疗前和治疗后的局部免疫结构。

如果残留病灶越来越集中于髓系丰富区域,就可以进一步解释为什么初始缩瘤以后仍然容易复发。

4、中性粒细胞和巨噬细胞是否具有替代关系

如果单独清除巨噬细胞以后,中性粒细胞快速补充并继续维持T细胞排斥,那么“消除一种髓系细胞”可能不足以重新打开肿瘤。

这种髓系补偿在PDAC尤其值得关注。

实验可以分别干预巨噬细胞、中性粒细胞以及两者联合,再比较CD8进入和肿瘤控制。

如果存在明显补偿,就能解释为什么许多单一髓系靶点在复杂肿瘤中效果有限。

5、T细胞进入和T细胞有效杀伤能否被分开调控

髓系生态位改变后,T细胞可能进入肿瘤,却依然处于衰老、耗竭或调节性免疫抑制环境。

因此,后续可以把课题分成两个连续阶段:

第一阶段解决“让T细胞进来”;

第二阶段解决“让进入的T细胞真正工作”。

这也可以解释为什么单独解除物理和趋化屏障,未必已经足够控制PDAC。

SECTION 11

11

髓系生态位研究最容易出现哪些实验偏差

第一个问题,是把PDAC统一称为免疫冷肿瘤。不同患者和同一肿瘤不同区域的淋巴细胞、髓系细胞组成差异很大,研究需要保留异质性。

第二个问题,是只检测CD45⁺CD11b⁺细胞后就讨论髓系抑制。巨噬细胞、中性粒细胞、单核细胞和树突状细胞的功能需要拆开。

第三个问题,是继续使用简单M1/M2框架概括所有巨噬细胞。空间位置、TNF-α、CXCL9等功能指标更有价值。

第四个问题,是看到CD8比例增加就认为T细胞进入肿瘤。必须区分肿瘤实质、基质和外围区域。

第五个问题,是把TNF-α简单定义为促炎、抗肿瘤因子。PDAC中的慢性TNF-α高表达区域可以同时具有巨噬细胞富集和T细胞排斥,需要结合时间和空间解释。

第六个问题,是只研究髓系细胞,不检测癌细胞谱系。癌细胞的经典型和基底样状态会反向决定髓系募集和免疫生态。

第七个问题,是单纯通过细胞耗竭证明巨噬细胞重要,却没有定位具体作用。最好进一步追踪趋化、T细胞进入和癌细胞状态。

第八个问题,是使用裸鼠或严重免疫缺陷小鼠研究完整髓系-T细胞机制。缺少适应性免疫后无法回答核心科学问题。

第九个问题,是动物中只检测肿瘤终点。空间免疫结构应成为这类课题的核心结果之一。

第十个问题,是看到巨噬细胞减少、T细胞增加以后继续无限寻找更多炎症因子。当前更值得推进的是生态位形成顺序、空间阈值、髓系补偿和治疗后残留,而不是把分子链不断拉长。

胰腺癌免疫抑制研究正在从“为什么PDAC没有T细胞”逐渐进入一个更具体的阶段:到底是什么样的局部组织环境决定T细胞进不去。

髓系细胞是其中非常关键的一层,但它们并不是一个统一的抑制细胞群。

不同巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞和单核细胞状态,可以在肿瘤内部形成完全不同的局部生态。有些区域由TNF-α高表达巨噬细胞占优势,伴随CD8⁺T细胞排斥和基底样癌细胞增加;另一些区域则能够保留更多适应性免疫细胞和抗原呈递功能。

更重要的是,这些生态位和癌细胞状态存在双向关系。

癌细胞通过CCL2等信号选择自己周围的髓系细胞,巨噬细胞产生的TNF-α又进一步改变癌细胞身份,并继续强化髓系募集和T细胞排斥。

因此,PDAC中真正值得研究的已经不是“哪一种巨噬细胞最坏”。

更关键的问题是,一块肿瘤组织如何逐渐组织成髓系富集、T细胞难以进入的局部空间,以及这个空间能不能被重新改造成允许T细胞进入的生态位。

后续如果围绕这一方向立题,我更建议优先抓两个接口。

一个是确定髓系排斥生态位形成的最早事件:究竟是癌细胞谱系变化先发生,还是CAF、血管或巨噬细胞先改变。

另一个是研究生态位转换以后,进入肿瘤的T细胞是否真正恢复抗肿瘤功能。

把“为什么进不去”和“进来以后能不能杀”这两个阶段拆开,才能真正解释胰腺癌免疫异质性,也更容易把过去笼统的“免疫冷肿瘤”推进到可以被实验定位和因果验证的空间免疫机制。

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