这篇文档是发表于《Annual Review of Immunology》2024年42卷的一篇综述文章，题为“T Cell Exhaustion”。作者是Andrew Baessler和Dario A.A. Vignali，均来自美国匹兹堡大学医学院免疫学系、UPMC希尔曼癌症中心肿瘤微环境中心及癌症免疫与免疫治疗项目。文章于2024年1月2日在线发表先期综述，最终于2024年6月收录于该刊。
本文聚焦于T细胞耗竭（T cell exhaustion）这一适应性免疫中的关键调节机制，系统性地回顾了其在慢性感染和癌症背景下的特征、驱动因素、分子调控机制以及治疗意义。文章旨在为免疫学领域的研究者提供一个全面且深入的理解框架，并探讨如何通过靶向耗竭来增强T细胞功能，尤其是用于癌症免疫治疗。
T细胞耗竭的概念、特征与生理意义
文章开篇界定了T细胞耗竭的核心概念。这是一种在慢性抗原（如持续存在的病毒或肿瘤抗原）刺激下，CD8⁺ T细胞功能逐步丧失的独特分化状态。与急性感染后形成的效应记忆T细胞不同，耗竭性T细胞（Tex）表现出几个关键特征：1）效应功能受损，表现为细胞毒活性和IL-2、TNF-α、IFN-γ等效应细胞因子产生的进行性丧失；2）增殖潜力低下；3）持续高表达多种抑制性受体，如PD-1、CTLA-4、LAG-3、TIM-3和TIGIT；4）独特的转录组和表观遗传编程；5）代谢功能改变，包括葡萄糖摄取减少、线粒体质量和功能下降。
作者强调，耗竭是一种平衡的调节程序。其生理益处在于，在自身免疫病等场景中，它可以限制自身反应性T细胞造成的组织损伤。例如，在非肥胖糖尿病小鼠模型中，胰岛内浸润的CD8⁺ T细胞表现出耗竭样表型（高表达LAG-3、PD-1和转录因子TOX），其功能受到约束；敲除LAG-3会加速疾病进程。然而，在慢性感染和癌症中，这一机制却成为“双刃剑”，削弱了T细胞清除病原体或肿瘤的能力，导致疾病迁延不愈或进展。免疫检查点阻断疗法正是通过阻断PD-1、CTLA-4等抑制性通路，来“重启”耗竭或前耗竭T细胞的功能。
耗竭性T细胞内部的异质性：从祖细胞到终末耗竭细胞
文章的一个核心部分是详细阐述了Tex细胞群体内部的异质性及其层级分化关系。研究表明，Tex并非一个均质的群体，而是包含多个具有不同功能和分化潜能的亚群，形成了一个从“祖细胞”到“终末耗竭”的连续谱系。关键的发现是存在一个“耗竭性T祖细胞”亚群。在慢性病毒感染和肿瘤微环境中，都可以发现一群具有自我更新和分化能力的PD-1⁺ TCF1⁺ TIM-3⁻（在小鼠中通常为TCF1⁺）的CD8⁺ T细胞。这群细胞转录上类似于滤泡辅助性T细胞和记忆前体细胞，具有干细胞样特性。它们是免疫检查点阻断疗法（尤其是抗PD-1/PD-L1治疗）起效的主要响应者，能够增殖并分化为功能更强的效应细胞。
随着持续的抗原刺激，这些祖细胞逐渐失去TCF1表达，分化为“中间耗竭”细胞，并最终进入“终末耗竭”状态（表现为PD-1⁺ TCF1⁻ TIM-3⁺）。终末耗竭细胞增殖能力极低，对检查点阻断治疗反应差，但仍保留部分细胞毒功能（如分泌颗粒酶B），在控制病毒载量和肿瘤生长方面仍发挥一定作用。这种层级分化模型解释了为何只有部分患者对免疫检查点抑制剂有反应，也指明了治疗策略需侧重于保护和扩增前体/祖细胞亚群。
驱动T细胞耗竭的核心转录与表观遗传调控
文章深入探讨了调控耗竭程序的核心分子机制，重点介绍了转录因子TCF1和TOX的作用。
TCF1（由Tcf7基因编码）是耗竭性T祖细胞存在和维持的关键。它在耗竭早期被诱导表达，通过促进记忆样基因程序（如Bcl6、Eomes）和抑制终末效应基因程序（如Blimp1、T-bet），赋予细胞自我更新和分化潜能。TCF1的表达受FOXO1调控，而PD-1信号可能通过限制TCR下游的AKT活性，间接维持FOXO1活性，从而促进TCF1表达。在耗竭晚期，Tcf7基因位点会经历DNMT3a介导的DNA甲基化等表观遗传沉默，导致TCF1表达丧失，细胞不可逆地走向终末耗竭。
TOX（胸腺细胞选择相关HMG盒蛋白）则被确立为耗竭程序的“主调控因子”。在慢性刺激下，TOX被迅速且持续地诱导表达，而在急性感染中表达短暂。TOX对于耗竭表型的建立是必要且充分的：敲除TOX的CD8⁺ T细胞在慢性感染或肿瘤中无法长期存活，且表现为效应功能增强、抑制性受体表达降低；而过表达TOX足以诱导耗竭样表型。TOX通过招募染色质重塑复合物（如DNMT），在基因组水平上重塑表观遗传景观，稳定耗竭相关的基因表达程序（如上调Pdcd1等基因）。因此，TOX不仅驱动耗竭，还通过表观遗传修饰锁定耗竭状态，限制了细胞的“可塑性”和重新赋能的可能性。
促进耗竭的外部驱动因素
除了持续的TCR信号（慢性抗原刺激）这一核心驱动因素外，文章还综述了肿瘤微环境中多种外部因素如何协同促进耗竭。
细胞因子是重要调节者。免疫抑制性细胞因子如IL-10和IL-35（主要由调节性T细胞产生）能诱导CD8⁺ T细胞表达多种抑制性受体。IL-6通过STAT3信号促进LAG-3在CD8⁺ T细胞中的储备，使其进入肿瘤微环境后更易发生耗竭。IL-27也被证明能诱导耗竭相关的转录谱和抑制性受体表达。甚至在某些情况下，高剂量的IL-2也可能通过持续激活STAT5促进耗竭。这些发现揭示了肿瘤微环境复杂的免疫抑制网络。
代谢压力是另一个关键驱动因素。肿瘤微环境常处于缺氧和营养匮乏状态。研究表明，缺氧与慢性TCR刺激协同作用，会损害线粒体功能（通过下调PGC-1α），导致活性氧（ROS）产生增加，进而持续激活NFAT信号通路，推动耗竭程序。恢复线粒体功能或中和ROS可以延缓耗竭，增强T细胞抗肿瘤功能。
CD4⁺ T细胞的耗竭与治疗应用挑战
尽管研究不如CD8⁺ T细胞深入，但文章指出CD4⁺ T细胞在慢性感染和癌症中同样会出现功能耗竭。在慢性LCMV感染中，抗原特异性CD4⁺ T细胞表现为效应细胞因子产生减少、记忆形成缺陷和抑制性受体表达升高。在癌症中，特别是在表达MHC II类分子的肿瘤里，细胞毒性CD4⁺ T细胞也会呈现高表达抑制性受体、功能受损的耗竭样表型。即使在不表达MHC II的肿瘤中，CD4⁺辅助性T细胞的功能也可能失调，影响其对CD8⁺ T细胞的辅助作用。这提示，未来的免疫治疗策略也需要考虑如何逆转CD4⁺ T细胞的耗竭。
靶向耗竭的癌症免疫治疗策略与挑战
文章最后部分讨论了当前基于耗竭概念的免疫疗法（主要是免疫检查点阻断和CAR-T细胞疗法）面临的挑战及新兴策略。
对于免疫检查点抑制剂，主要挑战是应答率有限（仅约12.5%的癌症患者总体有效）和免疫相关不良事件。为提高疗效，联合阻断策略被广泛研究。例如，抗PD-1与抗LAG-3（Relatlimab）的联合疗法已在晚期黑色素瘤中显示出优于单药的安全性及疗效，并获得FDA批准。这比抗CTLA-4与抗PD-1联合的严重不良反应发生率更低。
对于CAR-T细胞疗法，其持久性不足是治疗实体瘤和防止血液肿瘤复发的主要障碍，而T细胞耗竭是核心原因之一。文章介绍了多种通过工程化改造来对抗CAR-T细胞耗竭的新策略：1）基因编辑敲除抑制性受体（如PD-1）或其信号分子；2）敲除表观遗传修饰因子（如DNMT3A），以防止耗竭相关基因的沉默；3）设计可调控的CAR结构（如药物稳定型CAR），通过暂时撤除CAR信号让T细胞“休息”，防止在体外扩增阶段就发生耗竭。这些方法旨在从源头增强CAR-T细胞的适应性和持久战斗力。
结论与展望
总而言之，这篇综述系统性地总结了关于T细胞耗竭的当前认知。它不再被视为一种简单的功能失灵，而是一个受到精密转录和表观遗传调控的、具有内部层级结构的独特细胞分化程序。深入理解耗竭的生物学机制——从外部驱动因素（细胞因子、缺氧）到内部调控网络（TOX、TCF1、表观遗传），以及Tex细胞的异质性——对于开发下一代免疫疗法至关重要。未来的方向包括：设计更精准的联合检查点阻断方案以平衡疗效与安全性；对CAR-T等过继细胞疗法进行工程化改造以抵抗耗竭；以及探索靶向TOX等核心调控因子或其下游通路来重编程耗竭状态的可能性。持续的解构这一调控过程，将使我们能够设计出更强大的免疫疗法，最终改善癌症患者的预后。