学术研究报告：昼夜节律时钟调控肿瘤免疫抑制影响免疫检查点阻断疗效

第一作者及研究机构

本研究由加州大学欧文分校（UC Irvine）的Bridget M. Fortin、Shannon M. Pfeiffer、Jacob Insua-Rodríguez等多名学者共同完成，于2024年7月1日发表在Nature Immunology（ISSN: 1529-2908）。研究团队来自多个学科领域，包括生物化学、生理学与生物物理学、病理学等，并依托加州大学欧文分校综合癌症中心（Chao Family Comprehensive Cancer Center）和表观遗传与代谢中心（Center for Epigenetics and Metabolism）的资源支持。

学术背景与研究目标

科学领域：本研究属于肿瘤免疫学与昼夜节律生物学的交叉领域，聚焦于昼夜节律时钟如何调控肿瘤微环境中的免疫抑制机制。

研究动机：尽管免疫检查点抑制剂（Immune Checkpoint Inhibitors, ICIs）在部分癌症（如微卫星不稳定性高的结直肠癌）中显示出疗效，但多数患者仍无响应。此外，免疫治疗的疗效波动可能与生物钟相关，但具体机制尚不明确。

关键背景知识：

1. 昼夜节律与免疫：生物钟通过调控细胞因子分泌、免疫细胞迁移等影响免疫功能。例如，髓系细胞中核心时钟基因Bmal1的缺失会破坏单核细胞的节律性募集。

2. 肿瘤免疫抑制：髓系来源的抑制细胞（Myeloid-Derived Suppressor Cells, MDSCs）通过表达PD-L1等分子抑制CD8+ T细胞的活性，促进肿瘤进展。

研究目标：阐明肠道上皮细胞生物钟如何通过调控MDSCs的节律性积累影响免疫检查点阻断的疗效，并探索时间依赖性治疗的优化策略。

研究流程与方法

1. 基因工程小鼠模型构建与表型分析

• 研究对象：使用肠道上皮特异性敲除Bmal1（Bmal1−/−）和杂合缺失Apc（Apc+/−）的小鼠模型（Apc+/δex1-15; Bmal1fl/fl; Villin-Cre），模拟结直肠癌（CRC）进展。

• 样本量：每组3-8只小鼠，时间点为昼夜节律时间（Zeitgeber Time, ZT）4（静息期）和ZT16（活跃期）。

• 方法：通过组织病理学（H&E染色）、息肉计数和脾脏重量评估肿瘤负荷；单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析肠道CD45+免疫细胞图谱。

• 创新点：首次在肠道上皮特异性时钟紊乱模型中结合scRNA-seq揭示免疫微环境变化。

2. 免疫细胞动态与功能验证

• 流式细胞术：定量中性粒细胞、单核细胞、CD8+ T细胞等比例，发现*Bmal1−/−和Apc+/−;Bmal1−/−*小鼠中性粒细胞显著增加，CD8+ T细胞减少。

• MDSCs功能实验：

  • 免疫抑制活性：通过T细胞共培养实验证实MDSCs（Gr1+细胞）抑制CD8+ T细胞增殖，且时钟紊乱增强其活性。

  • ROS与PD-L1表达：时钟紊乱的MDSCs产生活性氧（ROS）水平更高，PD-L1表达上调。

3. 分子机制探索

• Wnt信号与炎症：肠道类器官和单层细胞实验显示，时钟紊乱通过Wnt通路激活促炎因子（如CXCL5、IL-17），招募中性粒细胞并诱导MDSCs分化。

• 关键数据：qPCR和ELISA证实Bmal1−/−细胞中Wnt3a处理导致CXCL5表达升高100倍以上。

4. 时间依赖性治疗实验

• 抗PD-L1给药：在ZT4和ZT16对*Apc+/−;Bmal1−/−*小鼠给药，发现ZT16（MDSCs峰值期）治疗显著减小肿瘤体积，增加CD8+ T细胞浸润。

• 扩展模型：在MC38（CRC）、CMT167（肺癌）和D4M-S（黑色素瘤）移植瘤模型中验证ZT16给药的优越性，完全缓解率（CR）从8%（ZT4）提升至29%（ZT16）。

主要结果与逻辑链条

1. 时钟紊乱重塑免疫景观：scRNA-seq和流式显示中性粒细胞增多、CD8+ T细胞减少，MDSCs积累（图1-2）。

2. MDSCs的节律性调控：WT小鼠中MDSCs在ZT16达峰，而肠道时钟紊乱小鼠失去节律性，但脾脏（外周时钟完整）仍保留节律（图5）。

3. Wnt-炎症轴：时钟紊乱通过Wnt信号上调CXCL5等因子，驱动中性粒细胞迁移并转化为免疫抑制性MDSCs（图4）。

4. 时间治疗学价值：抗PD-L1在MDSCs峰值期（ZT16）给药可最大化疗效，缩小肿瘤并激活CD8+ T细胞（图5-6）。

结论与价值

科学意义：

1. 揭示了肠道上皮生物钟通过Wnt-炎症轴调控MDSCs的机制，为肿瘤免疫抑制提供了新靶点。

2. 首次证明免疫检查点阻断的疗效受MDSCs昼夜节律影响，支持“时间治疗学”在免疫治疗中的应用。

应用价值：

• 临床转化：建议在患者活跃期（对应小鼠ZT16）给予ICIs，可能提高响应率。

• 跨癌种潜力：在CRC、肺癌和黑色素瘤中均观察到时间依赖性疗效。

研究亮点

1. 创新模型：肠道上皮特异性时钟紊乱的CRC模型，结合scRNA-seq和时空动态分析。

2. 机制深度：从Wnt信号到细胞因子网络，完整解析了时钟-MDSCs-CD8+ T细胞的调控轴。

3. 临床启示：为免疫治疗的给药时间优化提供了实验依据，呼应了回顾性临床研究中下午给药效果更佳的现象。

其他价值

• 环境节律紊乱（如轮班工作）可能通过类似机制促进肿瘤进展，提示公共卫生干预的重要性。

• 提出的“时钟-免疫-肿瘤”框架可扩展至其他节律相关疾病研究。

（注：全文数据均来自原文，图/表引用以原文编号为准。）