本文档是一篇发表在 Science Immunology 期刊上，于2023年9月刊发的学术综述。作者为来自 St. Jude 儿童研究医院的 Xin Lan、Caitlin C. Zebley 和 Ben Youngblood（通讯作者）。该论文的标题为“Cellular and molecular waypoints along the path of T cell exhaustion”，旨在系统地总结和探讨T细胞耗竭这一免疫功能障碍状态在其发展路径上的关键细胞与分子节点，并将其与癌症免疫治疗的最新进展紧密联系起来。
论文的核心观点在于，T细胞耗竭不再被视为一种静态、同质的终末状态，而是一个动态的、由多个异质性细胞亚群构成的连续分化轨迹。理解这一轨迹上的不同“航点”（waypoints）——即特定的细胞亚群及其调控机制——对于设计更有效的T细胞疗法（如免疫检查点阻断疗法和过继性细胞疗法）至关重要。全文围绕这一核心，从多个层面展开论述。
第一，T细胞耗竭是一个多阶段的分化过程，存在明确的祖细胞与终末细胞亚群。 早期的研究主要对比急性和慢性感染模型中T细胞的功能差异，确立了耗竭T细胞增殖能力弱、效应功能丧失、持续表达抑制性受体等特征。然而，近年来单细胞技术的发展揭示了耗竭T细胞池内部的高度异质性。关键突破是识别出了一群具有“干性”（stemness）或祖细胞特性的耗竭T前体细胞。在慢性淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒（LCMV）感染和小鼠肿瘤模型中，研究者发现了一群表达 TCF-1、CXCR5、PD-1（但TIM-3低表达）的CD8+ T细胞亚群，被称为耗竭T前体细胞（Tpex）。这群细胞位于次级淋巴器官（如脾脏、淋巴结），具有自我更新能力和有限的增殖潜力。重要的是，Tpex是响应PD-1阻断疗法（ICB）后发生增殖爆发的细胞来源，其数量与治疗预后正相关。Tpex进一步分化为两类主要后代：一类是效应样耗竭T细胞（Teff-like），具有较强的细胞毒性和炎症因子分泌潜能，但部分保留了耗竭特征（如表达TOX）；另一类是终末耗竭T细胞（Terminally exhausted T cells, Tex），其增殖和效应功能几乎完全丧失，表达高水平的多种抑制性受体。这种从Tpex → Teff-like → Tex的线性分化模型，或在特定条件下Tpex直接分化为不同效应亚群的分叉模型，构成了耗竭路径的基本框架。论文引用了多项使用流式细胞术、单细胞转录组测序和谱系追踪技术的研究作为证据，例如 Miller et al. (2019), Hudson et al. (2019) 的工作，清晰地描绘了这一发育层级关系。
第二，耗竭T细胞亚群在解剖学上存在分区和迁移，其生态位（niche）决定其命运。 不同耗竭亚群并非均匀分布，而是定位于特定的解剖学位置，这与其功能和发育阶段紧密相关。Tpex主要富集于次级淋巴器官（如脾脏白髓、淋巴结的T细胞区或三级淋巴结构），而Teff-like和Tex则更多地浸润到外周组织（如肿瘤微环境、肝脏、骨髓等）。这种分区与细胞的迁移和归巢受体表达有关。例如，Tpex高表达淋巴归巢分子（如CCR7、CD62L），使其能够定位于并往返于淋巴组织。研究表明，阻断Tpex从淋巴组织向肿瘤的迁移，会显著削弱肿瘤内耗竭T细胞的补充和ICB疗效。相反，促进肿瘤相关高内皮静脉的形成，能增加Tpex向肿瘤的输送，从而增强联合免疫疗法的效果。此外，不同组织微环境（生态位）中的细胞相互作用对维持Tpex或支持Teff-like功能至关重要。例如，1型经典树突状细胞（cDC1）通过MHC I依赖性方式为Tpex提供生存信号；在肿瘤血管周围基质中，CCR7+树突状细胞通过CXCL16/CXCR6轴与Teff-like细胞相互作用，促进其存活。这些空间分布和细胞互作的证据主要来自组织染色、流式细胞术分析不同组织来源的细胞、以及使用血管或迁移阻断剂的体内实验，如 Schenkel et al. (2021), Dahling et al. (2022) 和 Di Pilato et al. (2021) 的研究。
第三，持续的T细胞受体（TCR）刺激信号是驱动耗竭的核心，但其强度影响分化结局。 慢性抗原暴露是诱导耗竭的前提。然而，新近研究发现，TCR信号的“强度”和“时机”精细地调控着耗竭路径的分支。证据表明，与终末Tex相比，Tpex实际上经历了更强的TCR信号。这种持续但可能被PD-1等抑制性受体部分抑制的信号，对于维持Tpex本身是必要的。TCR与肽-MHC复合物的亲和力也影响分化方向：在肿瘤模型中，较低亲和力的TCR倾向于促进干细胞样表型（PD-1+TCF-1+），而较高亲和力的TCR则驱动终末耗竭。此外，抗原水平的高低也会产生复杂影响：高病毒载量可能促进Tpex形成，而低新抗原负荷则与终末耗竭的发展相关。这些观点得到了使用TCR转基因模型、改变肽配体、以及通过报告基因（如Nr4a-GFP）监测TCR信号强度等研究的支持，例如 Tsui et al. (2022), Burger et al. (2021) 的工作。这些发现修正了“抗原水平越高耗竭越严重”的简单化观点，强调了信号质量的关键作用。
第四，共刺激与共抑制受体网络对耗竭亚群的发育和功能进行精细调控。 除了TCR信号，一个复杂的共调控受体网络共同塑造了耗竭路径。其中，共刺激受体如CD28对Tpex响应PD-1阻断后的增殖爆发至关重要，缺乏CD28会严重削弱ICB疗效。其他共刺激分子如ICOS、GITR、OX40和4-1BB，也被发现在不同耗竭亚群中差异表达，并通过增强存活、增殖或效应功能来影响抗肿瘤免疫。例如，OX40信号通过Bcl-2/Bcl-xL轴促进抗原特异性CD8+ T细胞在慢性感染和肿瘤中的存活。另一方面，以PD-1为代表的抑制性受体（IRs）不仅抑制功能，也参与耗竭谱系的建立。PD-1信号在耗竭早期限制终末效应T细胞的过度发育，并将细胞推向耗竭谱系；同时，它也抑制Tpex向终末状态的分化。除了PD-1，其他IRs如LAG3、TIM-3等在特定亚群中也富集，但其在Tpex维持中的具体作用尚待阐明。这些结论基于基因敲除模型、抗体阻断/激动实验以及临床患者样本分析，如 Kamphorst et al. (2017), Wang et al. (2018) 的研究。
第五，细胞因子信号通路引导耗竭T细胞亚群的命运决定。 细胞因子是微环境信号的重要组成部分，其作用具有阶段和亚群特异性。IL-2信号：Tpex高表达IL-2受体α链（CD25），是主要的IL-2响应群体。PD-1阻断联合IL-2或其受体激动剂，能协同促进Tpex向功能更强的Teff-like细胞分化，显著提升抗病毒或抗肿瘤效果。然而，持续过强的IL-2信号也可能促进耗竭。IL-15信号：作为记忆T细胞维持的关键因子，IL-15也被用于增强CAR-T细胞的干性和持久性。抑制性细胞因子如IL-10和TGF-β的作用则更为复杂。传统认为它们抑制免疫，但新证据显示它们在特定背景下有保护作用。例如，IL-10信号有助于在慢性白血病模型中保存Tpex；TGF-β信号在耗竭早期通过保留Tpex于淋巴组织并调节mTOR活性来维持其干性，但在后期则会损害Teff-like细胞的功能。I型干扰素（IFN-I）同样具有双相作用：感染早期给予可增强T细胞扩增，而晚期给予则通过IRF2促进终末耗竭。这些发现揭示了细胞因子网络的复杂性，其最终效应高度依赖于细胞分化阶段和微环境背景，相关证据来自细胞因子给药、受体敲除或信号通路研究，如 Hashimoto et al. (2022), Codarri Deak et al. (2022) 的研究。
第六，转录与表观遗传重编程是耗竭状态得以稳定和遗传的核心机制。 耗竭T细胞的特征之所以能在长期抗原暴露后稳定维持，甚至在一定程度上在抗原清除后保留“疤痕”，归因于深刻的转录和表观遗传重构。关键转录因子（TFs）：TOX被鉴定为耗竭谱系的核心TF，在耗竭T细胞中持续高表达，促进抑制性受体表达和细胞存活。TCF-1（由TCF7基因编码）则是Tpex身份的主要决定者和维持者，它促进祖细胞状态，同时限制初始效应分化。其他TF如Bach2、Egr2、Fli1等也在不同节点调控Tpex的维持或向效应/终末状态的分化。表观遗传印记：染色质可及性分析（ATAC-seq）显示，功能性记忆T细胞与耗竭T细胞、以及耗竭内部各亚群之间，存在数千个差异开放的染色质区域。这些区域富集了与各自功能相关的转录因子结合基序。例如，耗竭T细胞获得与NFAT、BATF、NR4A等相关的开放性区域，而记忆T细胞则富集TCF1、LEF1、FOXO1的基序。更重要的是，耗竭相关的表观遗传改变（如特定基因位点的DNA甲基化、组蛋白修饰）非常稳定，即使在抗原去除后仍部分保留，这解释了为何耗竭是一种“命运承诺”的状态，难以完全逆转。DNA甲基转移酶DNMT3a和去甲基化酶TET2被证明是耗竭程序的关键执行者和屏障。敲除DNMT3a或TET2能防止CAR-T细胞获得耗竭相关的DNA甲基化模式，从而保持其增殖能力和功能持久性。同样，靶向组蛋白修饰酶（如抑制SUV39H1或LSD1）也能改变耗竭T细胞的命运。这些机制研究为通过表观遗传编辑增强T细胞疗法提供了直接的理论基础和靶点，证据来自全基因组测序、表观遗传图谱分析和基因编辑功能实验，如 Henß et al. (2021), Zebley et al. (2021) 的研究。
第七，对耗竭路径的理解正在直接转化为改进免疫治疗的策略。 作者将基于耗竭发育阶段的治疗策略归纳为三类：1) 预防耗竭发生；2) 在命运承诺前延迟或转向耗竭；3) 在命运承诺后逆转耗竭。这为临床实践提供了清晰的框架。在CAR-T细胞治疗领域，这一理解正引领着新一代工程化策略：通过调整共刺激结构域、校准ITAM信号强度、或联合细胞因子（如IL-2/IL-15激动剂）来维持细胞的干性和可塑性。通过基因编辑（如敲除DNMT3A、TET2）或药物处理（如地西他滨）进行表观遗传重编程，是防止CAR-T细胞耗竭、提升其持久性的前沿方向。例如，临床中一名CLL患者体内TET2功能意外失活的CAR-T细胞展现了卓越的克隆扩增和长期疾病控制能力。在免疫检查点抑制剂治疗中，识别和富集肿瘤反应性T细胞（如通过CD39、CXCL13等标志物）有助于评估疗效和指导联合用药。针对耗竭路径中特定节点（如Tpex的维持或Teff-like的分化）设计联合疗法（ICB联合共刺激激动剂、细胞因子等），有望克服当前的单药耐药问题。
本文的总结部分强调了将耗竭视为一个具有异质性和阶段性的分化路径这一范式转变的重要性。作者指出，未来的研究方向包括：深入解析表观遗传修饰在稳定耗竭染色质景观中的交互作用；利用单细胞技术更精确地定义T细胞发育状态及其分子程序；厘清T细胞耗竭与衰老等其他功能障碍状态的异同。这篇综述系统性地整合了从基础免疫学到临床肿瘤学的大量最新研究成果，不仅为研究者提供了一个关于T细胞耗竭的详尽知识图谱，更重要的是，它将基础科学发现与治疗应用创新直接桥接，指明了通过干预耗竭路径上的特定“航点”来设计下一代T细胞免疫疗法的清晰路线，具有极高的学术价值和临床转化意义。