eLife︱刘光伟/毕玉晶团队发现机械力受体PIEZO1肿瘤免疫新机制：调控树突状细胞依赖性T细胞分化

撰文︱王悦心

责编︱王思珍，方以一

编辑︱方以一

肿瘤是威胁人类健康的重要疾病，细胞免疫疗法正为抗肿瘤免疫治疗带来新的希望。在免疫细胞抗肿瘤治疗中，CD4⁺T细胞可以通过发育分化为效应性Th1、Th2、Th17和具有免疫抑制作用的调节性T细胞（regulatory T cells，Treg）等发挥重要的调控作用。树突状细胞（dendritic cells，DCs）是专职的抗原提呈细胞，常可以将外来抗原刺激通过三种关键信号途径传递给T细胞，从而指导不同的T细胞亚群分化。这三种关键信号包括共刺激分子表达、T细胞受体信号活化和细胞因子产生等。三种信号是重要链接天然免疫细胞和适应性免疫细胞的桥梁，在调控不同亚群T细胞分化中发挥关键作用，并最终将决定免疫应答的结局[1]。然而，在肿瘤微环境中，天然免疫细胞（如DCs）调控CD4⁺T细胞功能分化的机制，目前仍然不清楚。

肿瘤微环境对肿瘤生长非常重要。而肿瘤微环境中的天然刺激是多种多样的，炎症刺激、机械力刺激等常混合存在。是否炎症和机械力刺激在调控先天免疫细胞（如DCs）应答方面发挥调控作用，一直是研究者关注的科研问题。研究工作已经显示[2]，Piezo1是对钙离子具有显著通透性的机械力活化的非选择性阳离子通道，在各种类型的刺激下，参与多种类型细胞的增殖和发育调控。炎症刺激或机械力刺激变化[3,4]，如细胞牵张应力变化等，可激活Piezo1信号并触发炎症反应。在炎症和癌症中，Piezo1对多种免疫细胞的功能，包括巨噬细胞、DC和T细胞，具有显著的调节作用。然而，尚不清楚DC的Piezo1信号是否影响肿瘤微环境中不同T细胞亚群的功能分化。

2022年8月22日，北京师范大学生命科学学院刘光伟教授团队、复旦大学杨慧副教授、军事医学研究院毕玉晶研究员团队合作在国际著名期刊eLife发表了题为“Dendritic cell Piezo1 stimulated by mechanical stiffness or inflammatory signals directs the differentiation of Th1 and Treg cells in cancer”的研究论文。该研究发现，由机械力或炎症信号刺激的DC机械传感器Piezo1在抑制肿瘤生长中调节Th1和Treg细胞的相互分化。这项研究为理解基于DC的免疫病理学机械调节在指导肿瘤微环境中的T细胞谱系分化中的作用提供新思路。

采用Piezo1特异性DC缺失小鼠（Piezo1^-/-），研究者观察了该小鼠对结肠癌细胞（MC38）和黑色素瘤细胞（B16.F10）等肿瘤细胞生长的影响。发现，Piezo1^-/-小鼠肿瘤生长更快和更大。而且，肿瘤局部浸润T细胞中Th1细胞浸润减少，而Treg细胞浸润增多，对CD8⁺T细胞及Th2和Th17细胞浸润及功能却没有明显影响（图1）。这提示，DC的Piezo1缺失可能调节Th1和Treg细胞分化并有助于肿瘤生长。

图1 肿瘤DC的Piezo1信号指导Th1和Treg分化

（图源：Wang Y, et al, eLife, 2022）

为明确是否DC指导T细胞不同亚群分化？研究者采用体内细胞过继免疫实验，发现炎症（细菌脂多糖LPS刺激）或者机械力刺激（不同机械力刺激培养条件）获得的Piezo1缺失的DC过继转移可以明显调节Th1和Treg细胞分化，而对T细胞增殖却没有明显影响（图2）。这说明，DC的Piezo1信号可以对炎性和机械力刺激应答并进一步调节Th1和Treg细胞分化，发挥抗肿瘤作用。

图2 炎症或机械力刺激DC的Piezo1调节Th1和Treg分化

（图源：Wang Y, et al, eLife, 2022）

DC的Piezo1信号如何调控T细胞不同亚群分化？研究者观察了Piezo1缺失对DC功能的影响。发现，Piezo1缺失不能明显改变DC的吞噬功能和抗原提呈能力。也不能明显改变DC细胞的增殖和死亡等。但是，Piezo1缺失DC明显出现分泌IL-12减少，而TGFβ1增多。细胞因子是抗原提呈细胞活化T细胞的重要第三信号，在塑型T细胞亚群分化中发挥重要作用。进一步，采用IL-12和抗TGFβ1抗体可以明显恢复DC的Piezo1缺失改变的T细胞亚群变化（图3）。这说明，DC的Piezo1信号是通过改变其细胞因子分泌调控Th1和Treg细胞分化。

图3 DC的Piezo1通过分泌IL-12和TGFβ1调节Th1和Treg分化

（图源：Wang Y, et al, eLife, 2022）

一致地，在T细胞表面，TGFβR2和IL-12Rβ2也显示相应的变化；而且TGFβ下游信号p-Smad3表达也显著升高，而IL-12下游信号p-STAT4显著降低（图4）。这说明，DC的Piezo1信号就是通过调控细胞因子IL-12和TGFβ1分泌并与T细胞表面受体相互作用，调节Th1和Treg细胞分化。

图4 DC的Piezo1通过改变TGFβR2和IL-12Rβ2表达调控Th1和Treg分化

（图源：Wang Y, et al, eLife, 2022）

靶向DC的Piezo1信号是否可以改变T细胞亚群分化并发挥抗肿瘤免疫效应？为深入研究靶向DC的Piezo1调节T细胞亚群分化的抗肿瘤免疫治疗意义，研究者采用肿瘤局部给与IL-12和抗TGFβ抗体处理的方法，观察了对小鼠肿瘤的治疗效应。非常有趣的是，虽然Piezo1^-/-小鼠肿瘤仍然长得更快和更大，但是给与IL-12和抗TGFβ抗体处理后，肿瘤快速增殖效应明显恢复。而且，在肿瘤局部浸润的T细胞分化也显示一致的变化规律（图5）。这提示，靶向DC的Piezo1信号通过干预细胞因子分泌可以通过改变T细胞亚群分化并调节肿瘤局部微环境而影响肿瘤生长。

虽然在小鼠实验研究显示靶向DC的Piezo1信号可以通过改变T细胞不同亚群分化调节抗肿瘤免疫。但Piezo1是否表达在人的细胞上，是否具有临床应用前景呢？研究者观察了炎症（LPS）或者机械力（不同机械力培养基刺激）条件下对人外周血单核细胞来源的DC的Piezo1表达的影响，发现炎症和机械力刺激都明显改变Piezo1表达。更有趣的是，通过激动剂上调DC的Piezo1表达，可以明显调节人的Th1和Treg分化（图5）。这说明，该信号途径可能为临床靶向DC的T细胞分化干预肿瘤免疫治疗研究提供新策略。

图5 靶向DC的Piezo1信号通过调节Th1和Treg分化发挥抗肿瘤治疗效应

（图源：Wang Y, et al, eLife, 2022）

图6 肿瘤中DC细胞Piezo1信号诱导的Th1和Treg细胞分化

（图源：Wang Y, et al., eLife, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究采用多种转基因小鼠结合细胞生物学和分子生物学技术发现机械力受体Piezo1在树突状细胞（DC）介导的T细胞亚群分化中发挥调控作用并在抗肿瘤免疫治疗中具有临床应用前景。肿瘤微环境中多种不同类型刺激混合存在，炎症和机械力刺激等都可能改变免疫应答结局，本研究揭示炎症和机械力等刺激可以在DC指导的T细胞亚群分化中发挥关键作用，这为更全面理解肿瘤免疫微环境提供了实验依据。另外，本研究还对Piezo1调控DC细胞因子分泌的机制进行了深入研究，发现Piezo1可以整合SIRT1-HIF1α-糖代谢信号途径结合钙离子信号-钙调蛋白-核转录因子NFAT信号途径调控DC细胞因子分泌（图6）。这也说明，离子通道Piezo1在炎性和机械力刺激应答的条件下，可以整合细胞环境中离子浓度和代谢信号变化，改变其功能，最终调控T细胞不同亚群分化，在决定疾病结局中发挥重要作用[5-7]。虽然该论文揭示了一些肿瘤免疫微环境的调控机制，但也显示肿瘤微环境调控机制的复杂性，进一步深入解析肿瘤免疫微环境调控规律，可以为细胞免疫治疗策略研究提供新思路。

原文链接：https://elifesciences.org/articles/79957 

北京师范大学生命科学学院刘光伟教授和军事医学研究院毕玉晶研究员是本文的共同通讯作者。北京师范大学王悦心博士生、复旦大学杨慧副教授、北京师范大学贾安娜博士、王宇飞博士生和杨秋立博士生等为本文的共同第一作者。

通讯作者：刘光伟

（照片提供自：北京师范大学生命科学学院刘光伟团队）

通讯作者简介：

刘光伟，教授，博士生导师。北京师范大学京师特聘教授，国家百千万人才工程有突出贡献中青年专家。主持国家自然基金委重点项目、面上项目等科研课题。主要从事临床重大感染和肿瘤性疾病的免疫学致病机理、免疫细胞治疗策略等免疫学领域的研究。在Immunity、Nature Immunology、Nature Communications、eLife、PNAS、Blood、Journal of Immunology和Cancer Research等国际权威刊物发表学术文章90余篇，入选全球顶尖前10万科学家榜单。

往期文章精选

优质科研培训课程推荐【1】培训课程︱R语言临床预测生物医学统计专题培训

欢迎加入“岚翰生命科学”

参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Steinman RM, Hawiger D, & Nussenzweig MC (2003) Tolerogenic dendritic cells. Annu Rev Immunol 21:685-711.

[2] Solis AG, et al. (2019) Mechanosensation of cyclical force by PIEZO1 is essential for innate immunity. Nature 573(7772):69-74.

[3] Aykut B, et al. (2020) Targeting Piezo1 unleashes innate immunity against cancer and infectious disease. Sci Immunol 5(50).

[4] Liu CSC, et al. (2018) Cutting Edge: Piezo1 Mechanosensors Optimize Human T Cell Activation. J Immunol 200(4):1255-1260.

[5] Chi H (2012) Regulation and function of mTOR signalling in T cell fate decisions. Nat Rev Immunol 12(5):325-338.

[6] Liu G, Yang K, Burns S, Shrestha S, & Chi H (2010) The S1P(1)-mTOR axis directs the reciprocal differentiation of T(H)1 and T(reg) cells. Nat Immunol 11(11):1047-1056.

[7] Wang X, et al. (2015) The calcineurin-NFAT axis controls allograft immunity in myeloid-derived suppressor cells through reprogramming T cell differentiation. Mol Cell Biol 35(3):598-609.

本文完