T 细胞的异质性显著,许多基因和蛋白质(“标记物”)与细胞成熟、运输、活化和功能相关,这些指标均在免疫反应过程中受到调节,其中不少在肿瘤微环境中发生失调,因此了解它们的表达模式可以提供对疾病生物学机制的理解,以及有关潜在药物靶点的信息。此外,这些标志物的表达模式可能有助于预测疾病、治疗结果或治疗相关的不良事件。
在过去十年中,检测 T 细胞相关标志物的技术发生了巨大的变化。使用批量分析细胞的平台(如微阵列)已经失宠,因为这些方法只能检测大量细胞中的平均表达,无法反映不同细胞之间的表达量差异。单细胞 RNA 测序 (sc-RNAseq) 克服了批量检测的局限性,并且由于可以同时检测大量转录本,故功能强大。然而,转录是一个“嘈杂”的过程,以不规则的时间间隔爆发性转录,甚至在同基因/克隆细胞之间也会发生变化;此外,在单细胞测序分析中捕获 mRNA 也可能效率低下,导致某些细胞/基因信号丢失。因此,仅基于转录分析通常无法清楚地解析细胞群。
在抗原刺激时,免疫反应由活化的 T 细胞维持和放大,这些 T 细胞表达独特的转录和蛋白质特征。在急性感染的情况下,与 T 细胞活化相关的标志物会驱动关键的细胞过程,包括增殖、募集、归巢、细胞因子分泌和细胞毒性,最终避免免疫损伤。然而,在持续的抗原刺激下,如在慢性病毒感染或癌症的情况下,一些活化的 T 细胞逐渐发展为耗竭表型,其特征是效应功能降低或丧失(例如,细胞因子分泌丧失)和增殖受损。在免疫反应过程中,产生这些耗竭T细胞的程度决定了关键结果,包括病原体是否被清除或生物体是否被慢性感染、肿瘤对检查点抑制疗法的反应潜力,并且可能是使用嵌合抗原受体 (CAR)-T 细胞的过继免疫疗法的结果。
对活化和耗竭T细胞的研究为探索基于分子细胞术的免疫分析的效用提供了独特的环境。此外,大家对 T 细胞被长期刺激时会发生什么的理解仍然存在根本性的缺失,即:
1)T 细胞在慢性刺激期间表现出何种程度的异质性和可塑性?
2)有多少独特的细胞状态(基于转录和蛋白质表达谱)定义了慢性刺激?
3) 哪些标记可以区分活化细胞和耗竭细胞?
体外 CD8+ T 细胞的慢性刺激导致了衰竭的表型和功能特征
作者开发了两种模拟慢性或瞬时T细胞刺激的体外模型。
慢性刺激是通过用重组人 IL-2 (rhIL-2) 和αCD3/CD28微球连续刺激 T 细胞 14 天来实现的。通过用rh-IL2和αCD3/CD28微球刺激T细胞3天,然后在rhIL-2存在下再静息11天来实现瞬时刺激。在不同时间点收集细胞,如图 1A 所示。
为了评估该体外模型系统中的 CD8+ T 细胞是否获得了慢性刺激 T 细胞的表型和功能特征,使用流式细胞术检测了抑制性受体的上调和炎性细胞因子的产生。 CD8+ T 细胞在刺激三天后表现出明显的抑制性受体 CD279 (PD-1) 和 CD223 (LAG-3) 上调(图 1B)。 LAG-3 表达在慢性刺激后一直维持到第 14 天,而某些细胞的 PD-1 逐渐下调。在瞬时刺激条件下,CD8+ T 细胞在第 14 天逐渐失去两种抑制性受体的表达。
接下来,分析了每个时间点和每个实验条件(即慢性与瞬时刺激)的 T 细胞功能。在基线和用 rhIL2/αCD3/CD28 培养三天后,细胞产生 IFNγ和/或 IL2;然而,在第 7 天 - 在慢性和短暂条件下 - 细胞因子表达大大减少(图 1B)。这一观察结果表明,细胞在刺激三天后功能受损。当细胞受到持续刺激(慢性刺激)时,14 天后细胞因子的产生显著受损,而 T 细胞功能在瞬时刺激条件下恢复(图 1B)。
CD4+ T 细胞也观察到了类似的结果(图 1C)。总之,这些数据表明,在体外模型系统中,T细胞耗竭相关表型和功能变化是逐渐诱导出来的。
图 1. 体外慢性刺激时,T细胞耗竭的特征变化。
AbSeq 能够以与流式细胞术相媲美的特异性和分辨率进行蛋白质检测
在确认体外系统模拟了与 T 细胞耗竭相关的标志物表达的动力学之后,接下来进一步比较不同细胞表面蛋白的表达。
信源:Corselli M, Saksena S, Nakamoto M, Lomas WE 3rd, Taylor I, Chattopadhyay PK. Single cell multiomic analysis of T cell exhaustion in vitro. Cytometry A. 2021 Aug 14. doi: 10.1002/cyto.a.24496. Epub ahead of print. PMID: 34390166.