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早上“抗癌”效果最好？Cell最新研究发现：肿瘤微环境中的T细胞也喜欢按时“上下班”
研究背景介绍
生物钟，即昼夜节律，控制着睡眠、能量消耗等多种生理过程。近年来，不断有研究指出，免疫系统的功能和活动表现出明显的昼夜周期性变化。免疫治疗，特别是目前临床应用的CAR T细胞疗法和免疫检查点阻断（ICB）疗法，已成为最有效的肿瘤治疗手段之一。尽管免疫疗法取得了显著进展，但其疗效受到个体差异、肿瘤微环境以及治疗时机等因素的影响。
当前的一个关键挑战是确定肿瘤微环境中免疫细胞的动态变化，特别是T细胞的浸润模式和功能状态。以往的研究缺乏对这些细胞受昼夜节律影响的深入理解，这限制了对免疫疗法的进一步优化。了解并利用昼夜节律对免疫细胞的影响，可能为提高免疫疗法的疗效和精确度提供新的思路。
5月8日，日内瓦大学联合北大、麻省理工、哈弗医学院在Cell上发表题为“Circadian tumor infiltration and function of CD8+ T cells dictate immunotherapy efficacy”的研究论文，旨在探讨昼夜节律对肿瘤微环境中的免疫细胞功能及免疫治疗的影响。研究发现，肿瘤微环境中的淋巴细胞，特别是CD8+ T细胞，其数量和功能表现出昼夜节律性变化。这种变化由肿瘤微环境中的免疫细胞和内皮细胞的内源性生物钟调控。通过调整治疗时间，可以提高CAR-T细胞免疫疗法和免疫检查点阻断疗法的疗效。该研究为进一步优化免疫治疗策略提供了新的思路和方向。
研究思路分析
1.肿瘤微环境中浸润性白细胞数量随昼夜节律的变化
构建小鼠肿瘤模型，不同时间段（ZT1[早晨]，ZT7[白天]，ZT13[晚上]，ZT19[夜间]）采集肿瘤细胞。流式分析发现，浸润性白细胞（TILs），尤其是CD4+和CD8+ T细胞，在一天中的ZT13数量最多，ZT1数量最少。此外，研究还考虑了肿瘤体积、血管密度和不同光照条件对TILs数量的影响，确认TILs的昼夜节律性，并排除了其他因素的干扰。
图1不同的提取时间决定了肿瘤浸润白细胞的数量
2.肿瘤微环境中的内源性内皮细胞通过调控TILs浸润的昼夜节律变化影响肿瘤的免疫治疗效果
研究发现，阻断肿瘤微环境中的内源性内皮细胞的LFA-1整合素表达，可以抑制在ZT13的 TILs浸润，消除昼夜节律变化。此外，内皮细胞上的细胞间粘附分子1（ICAM-1）在晚上表达水平较高，敲除细胞中BMAL1基因会破坏ICAM-1表达，从而影响TILs浸润肿瘤的昼夜节律性。
研究还发现，在特定时间点给予肿瘤模型小鼠CAR T细胞治疗，晚上的治疗效果优于早上。以上结果表明，肿瘤微环境中的内皮细胞通过介导TILs功能的昼夜节律性，可对肿瘤的免疫治疗效果产生重要影响。
图2.内皮细胞调控白细胞浸润的昼夜节律变化和CAR T细胞疗效
3.肿瘤微环境中T细胞表型的昼夜节律差异
① 通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析不同时间点采集的肿瘤样本中T细胞表型差异。结果显示，T细胞亚群表现出明显的昼夜节律性变化，在ZT13，与抗肿瘤相关的CD8+ T细胞亚群比例最高，而在ZT1最低。此外，CD8+ T细胞中与T细胞激活和耗竭状态相关的标志物表达也表现出昼夜节律性，晚上非耗竭CD8+ T细胞比例显著增加。
② CD8+ T细胞与激活、抑制、迁移和浸润等功能相关的基因表达表现出时间性振荡变化，特别是免疫检查点基因Pdcd1在ZT1时表达达到峰值，而在ZT13达到低谷。通过体外激活CD8+ T细胞，观察到Pdcd1表达亦呈现明显的时间振荡性，且在Bmal1基因敲除的T细胞中减弱，表明PD-1的昼夜节律是细胞内源性的。这些结果表明，CD8+ T细胞的表型和功能具有昼夜节律性，可能对免疫检查点阻断疗法的时间选择具有重要意义。
图3.T细胞表型随时间节律的变化
图4.CD8+ T细胞表型的时间振荡性
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4. 抗PD-1治疗的昼夜疗效差异
在不同时间点（ZT1和ZT13）给予肿瘤小鼠抗PD-1治疗，结果发现，ZT13给药相比于ZT1能更有效地抑制肿瘤生长。流式细胞术分析发现，晚上给药能显著提高肿瘤内CD8+ T细胞的激活和细胞因子的产生。
图5.抗pd -1治疗的昼夜疗效
5.人类肿瘤样本中免疫细胞表型的昼夜节律变化
考虑到人与小鼠生物钟的相反特性，研究最后对人类肿瘤样本中免疫细胞表型的昼夜节律变化进行了验证。通过免疫组化分析不同时间段手术切除的患者黑色素瘤样本，并利用机器学习算法构建的预测模型分析TCGA数据集。
研究发现人类肿瘤浸润CD4+或CD8+T细胞的数量和表型也呈现明显的昼夜节律性，细胞总数和抗肿瘤表型T细胞占比在早午时段达到峰值。
图6.人类肿瘤的免疫细胞表型的昼夜节律
研究结果讨论
本研究综合动物模型、细胞和临床样本，全面分析了昼夜节律对肿瘤免疫微环境及免疫治疗效果的影响。具体来说，昼夜节律显著影响肿瘤微环境中免疫细胞，特别是CD8+ T细胞数量、表型及浸润功能，这种变化受内皮细胞的内源性控制。通过调整治疗时间，可以提高CAR T细胞疗法和免疫检查点阻断疗法的疗效，为进一步优化免疫治疗策略提供了新的思路和方向。
本文创新性：
1、揭示了昼夜节律对肿瘤浸润和CD8+ T细胞功能的重要影响。2、验证了治疗时间对CAR T细胞疗法和免疫检查点阻断疗法疗效的重要影响。3、开发了ZeitZeiger机器学习算法，为分析人类肿瘤样本的昼夜节律提供了新工具。
后续研究方向：
1、本研究使用的是小鼠模型，其昼夜节律与人类存在显著差异，需要在人类临床试验中进一步验证。2、进一步探讨肿瘤微环境中不同免疫细胞亚群的昼夜节律变化及相互作用和影响。3、研究昼夜节律对CD8+ T细胞浸润功能影响的具体分子机制和上下游通路。4、开展临床试验，评估不同时间点进行免疫治疗的效果，探索最佳的治疗时间窗口。
国自然申报应用
昼夜节律对免疫治疗的影响是一个新兴的研究领域，其调控可能受到多种因素的影响，如环境因素、生物钟基因的突变等。
除了免疫治疗，昼夜节律在其他领域也逐渐受到关注。这里小编为大家汇总了部分与昼夜节律相关的国自然中标项目，希望能为大家构思自己的课题方向提供灵感：
（数据来自国家自然科学基金官网）