线粒体适应性（mitochondrial fitness）调控抗肿瘤T细胞命运：从激活、肿瘤微环境适应到耗竭与记忆形成

《Biomolecules》：Mitochondrial Fitness in Anti-Tumor T Cells: From Activation to Exhaustion and Memory Formation

　　

线粒体（mitochondria）已成为抗肿瘤免疫的核心调控者，其作用超出经典的ATP生成功能。在肿瘤免疫学中，线粒体适应性（mitochondrial fitness）是一种多维状态，涵盖线粒体数量、质量、代谢适应性和应激韧性，是塑造T细胞从激活到耗竭连续过程中命运的重要组成部分。在早期激活阶段，线粒体重塑支持克隆扩增和效应分化所需的钙信号、氧化还原调节和代谢重编程。然而，肿瘤浸润T细胞面临以缺氧、营养缺乏和免疫抑制性代谢物蓄积为特征的代谢敌对肿瘤微环境（TME）。为维持功能，T细胞必须通过协调调控氧化磷酸化（OXPHOS）、脂肪酸氧化（FAO）、线粒体动力学、线粒体生物发生和质量控制通路来保持线粒体可塑性。持续抗原暴露和慢性代谢应激逐步损害线粒体适应性，促进氧化代谢缺陷、活性氧（ROS）过度蓄积、线粒体质量控制紊乱，并最终导致T细胞耗竭。线粒体适应性已成为干性祖耗竭T细胞（Tpex）和记忆T细胞的决定性特征，这些细胞保留自我更新能力并介导持久的免疫检查点阻断应答。近期研究揭示了线粒体代谢、表观遗传调控与T细胞分化之间的新联系，强调线粒体是免疫细胞命运的主动驱动者而非被动的生物能量细胞器。该综述探讨线粒体适应性如何在TME中协调T细胞激活、适应、耗竭和记忆形成，并强调新兴概念，包括线粒体对干性T细胞维持的调控以及恢复线粒体功能的代谢重编程策略。更深入理解线粒体适应性可能为增强癌症免疫治疗和改善长期抗肿瘤免疫应答提供机会。

1. 引言：抗肿瘤免疫不仅依赖抗原识别和免疫信号，也依赖免疫细胞在动态环境中的代谢能力。线粒体已从主要产生ATP的细胞器转变为整合生物能量、钙稳态、活性氧（ROS）信号、代谢适应和应激反应的多功能信号枢纽。T细胞受体（TCR）激活后，线粒体支持钙依赖信号和受控ROS产生，以驱动NFAT、NF-κB和MAPK依赖的转录程序；活化T细胞同时发生糖酵解增强、线粒体生物发生和氧化磷酸化（OXPHOS）协调调控。进入肿瘤后，T细胞面临缺氧、营养缺乏、氧化应激及乳酸和腺苷等免疫抑制性代谢物蓄积的肿瘤微环境（TME），需通过代谢灵活性、线粒体动力学、生物发生和线粒体自噬等维持线粒体稳态。线粒体适应性下降与T细胞耗竭相关，但线粒体重塑与耗竭互为交织，因果难以截然分开。干性祖耗竭T细胞（Tpex）和记忆T细胞具有较好的线粒体适应性，是免疫检查点阻断的重要应答群体。该综述围绕激活、TME适应、耗竭和记忆形成展开。

2. T细胞激活过程中的线粒体适应性：T细胞激活是高代谢需求过程，早期激活阶段建立的线粒体适应性可影响效应分化、记忆形成和抗耗竭能力。

2.1 代谢重编程与线粒体适应性建立： na?ve T细胞向高糖酵解、氨基酸代谢和合成代谢状态转变。Myc依赖的糖酵解和谷氨酰胺分解是早期激活的功能需求；线粒体仍提供ATP、生物合成中间体、氧化还原调控和一碳代谢。c-Myc、mTOR和AMP活化蛋白激酶（AMPK）整合营养与能量状态，AMPK可在营养限制下促进谷氨酰胺依赖代谢并调节mTORC1信号。相关机制多来自急性TCR刺激，在慢性抗原暴露和TME中的相对贡献可能不同。

2.2 线粒体生物发生与结构重塑：线粒体生物发生不仅是数量增加，还包括OPA1介导的嵴组织和呼吸效率提升。记忆T细胞倾向融合网络，效应T细胞更碎片化；OPA1缺陷损害记忆T细胞形成而不阻止效应T细胞生成，强制融合可促进记忆样代谢特征和抗肿瘤功能。激活诱导的线粒体扩增提高备用呼吸能力（spare respiratory capacity），IL-15可促进线粒体生物发生和氧化代谢。PGC-1α是线粒体生物发生和氧化代谢的关键调控因子；肿瘤浸润T细胞可进行性丢失线粒体质量和呼吸功能，强制表达PGC-1α可恢复代谢和效应功能。线粒体适应性更可能是影响持久性和功能分化的细胞状态组分，而非独立决定点。

2.3 钙信号与线粒体功能：TCR激活触发CRAC通道钙内流并激活NFAT，线粒体缓冲胞内钙并整合钙依赖信号以支持ATP和生物合成。TCR刺激可诱导线粒体向免疫突触重定位，突触附近线粒体钙摄取增加；干扰线粒体转位可降低持续性CRAC介导的钙内流和钙依赖T细胞激活。相关证据多来自急性刺激和体外模型，长期分化与TME中的独立作用尚待明确。

2.4 ROS信号作为线粒体适应性组分：适度线粒体ROS增强TCR信号、细胞因子产生和增殖，过量ROS则导致线粒体损伤和功能下降。Uqcrfs1缺失导致复合物III来源ROS受损时，T细胞出现NFAT活化和IL-2诱导缺陷，并在体内抗原特异性扩增失败。氧化还原稳态是早期激活中线粒体适应性的重要决定因素；急性短暂ROS的信号作用应与慢性持续氧化应激的损害作用区分。

2.5 线粒体适应性塑造后续T细胞命运：激活期代谢和信号事件塑造线粒体适应性，进而与抗原、转录和微环境信号共同影响瘤内T细胞命运。慢性LCMV感染中，T细胞特异性线粒体ATP产生受损可促进Tpex向终末耗竭转变，而Tpex较终末耗竭T细胞保留更高呼吸能力。线粒体适应性有助于维持祖样T细胞状态，但其效应与抗原性、转录和微环境信号整合。

3. 在肿瘤微环境中维持线粒体适应性：肿瘤浸润T细胞面临缺氧、营养缺乏、氧化应激、酸性pH和免疫抑制性代谢物蓄积。部分线粒体改变亦见于慢性病毒感染，而缺氧、营养竞争、酸性和乳酸/腺苷蓄积代表TME附加压力。TME应激汇聚于线粒体，形成决定T细胞维持适应或走向功能障碍的代谢检查点。

3.1 缺氧和营养限制的适应：缺氧下HIF-1α促进糖酵解适应并支持氧受限条件下生存；慢性缺氧可导致线粒体碎片化、ATP和OXPHOS下降、耗竭标志增加及效应功能受损。肿瘤细胞快速增殖限制葡萄糖可利用性，肿瘤葡萄糖消耗可限制T细胞糖酵解和IFN-γ产生，恢复营养可改善瘤内T细胞代谢和效应功能。AMPK协调线粒体代谢、底物利用、生物发生和代谢灵活性以应对能量应激。脂代谢参与适应，但脂肪酸氧化（FAO）不等同于线粒体适应性；脂质摄取、储存、从头合成、膜脂重塑和氧化后果不同，乙酰辅酶A羧化酶依赖的内源脂质合成可影响CD8⁺ T细胞利用细胞外脂质。FAO更宜视为代谢灵活性的一个组分，Tpex维持是否特定依赖FAO的直接证据仍有限。

3.2 乳酸和腺苷作为代谢约束：乳酸蓄积抑制T细胞增殖、细胞因子产生和细胞毒活性，扰乱线粒体氧化还原平衡及NAD⁺/NADH稳态，并加重免疫功能障碍和治疗抵抗。降低LDHA依赖性乳酸产生的肿瘤模型显示IFN-γ产生T细胞浸润增加和免疫介导的肿瘤控制改善；生理相关乳酸浓度可直接抑制NFAT活化和IFN-γ产生。腺苷通过A_2A受体激活PKA并抑制mTORC1，抑制T细胞激活、细胞因子产生、细胞毒反应和线粒体代谢，参与循环及肿瘤浸润CD8⁺ T细胞的线粒体不足。其效应强度取决于浓度、暴露时间和TME代谢特征。

3.3 线粒体质量控制维持应激下适应性：线粒体自噬、线粒体动力学和生物发生清除受损线粒体、维持呼吸能力和生物能量稳态。NIX缺陷抗原特异性CD8⁺ T细胞中，线粒体自噬受损导致线粒体超氧化物和HIF-1α蓄积、脂肪酸代谢改变、ATP产生减少及效应记忆T细胞形成缺陷。生物发生通过补充线粒体网络支持慢性应激适应。应激超过补偿能力时，受损线粒体蓄积并促进耗竭；但个别自噬通路与Tpex维持或终末耗竭的直接证据仍较有限。恢复OXPHOS、FAO、线粒体自噬和氧化还原控制支持Tpex和记忆形成，持续线粒体应激则促进ROS蓄积、膜去极化、TOX/NR4A激活和终末耗竭。

4. 线粒体功能障碍与T细胞耗竭：耗竭T细胞表现为增殖受损、细胞因子产生减少、细胞毒性下降和抑制性受体持续表达。线粒体功能障碍不仅是耗竭结果，也可主动参与其起始和稳定；但慢性TCR刺激、抑制性受体信号、转录程序和TME应激本身也可诱导线粒体改变，因果分离困难。

4.1 慢性抗原刺激与代谢耗竭：持续TCR信号和代谢应激进行性降低线粒体呼吸能力、增加氧化应激并损害代谢灵活性。重复刺激T细胞中，持续抗原暴露损害ADP耦合OXPHOS并增加线粒体氧化应激；药理性破坏线粒体呼吸足以抑制增殖并诱导耗竭相关转录程序。单细胞分析显示耗竭T细胞存在不同分化状态，向终末耗竭转变伴随线粒体适应性逐渐丢失。线粒体损伤与转录/表观耗竭程序的先后关系仍未完全解决。

4.2 PD-1信号与情境依赖代谢重编程：PD-1持续信号抑制PI3K-Akt-mTOR、糖酵解通量、线粒体生物发生和PGC-1α表达，耗竭T细胞可表现线粒体质量、OXPHOS和能量能力下降。慢性LCMV感染中，病毒特异性CD8⁺ T细胞早期出现葡萄糖利用和线粒体生物能量缺陷，PD-1信号参与PGC-1α抑制；强制PGC-1α表达可改善发育中耗竭T细胞功能。PD-1信号在某些条件下也可促进脂解和FAO，其代谢效应并非一致抑制。PD-1阻断后的T细胞再激活与线粒体功能增强相关，但瘤内T细胞线粒体质量和生物发生严重丢失时，检查点抑制未必足以恢复代谢。

4.3 耗竭的转录和表观遗传程序：慢性TCR信号诱导持续NFAT活化并驱动TOX表达，TOX促进广泛转录和表观遗传重塑，稳定耗竭并影响线粒体稳态。NR4A家族亦参与耗竭相关转录程序，TOX和NR4A可能协同建立强化线粒体功能障碍和耗竭表型的染色质与代谢程序。耗竭相关表观重塑随时间趋于固定，限制检查点阻断单独恢复线粒体适应性和效应功能；PD-1通路阻断可诱导转录再激活，但对耗竭相关表观景观重塑有限。

4.4 线粒体去极化与质量控制缺陷：耗竭T细胞的标志之一是线粒体膜电位（ΔΨ_m）进行性丢失，反映线粒体完整性和呼吸能力下降。慢性抗原刺激和氧化应激促进去极化、损害电子传递链并减少ATP生成，进一步破坏钙缓冲、ROS稳态和线粒体蛋白输入，形成自我强化循环。耗竭T细胞可见线粒体碎片化、嵴结构紊乱和呼吸效率下降；瘤内CD8⁺ T细胞中线粒体自噬减少可促进去极化线粒体蓄积，实验性增加受损线粒体足以强化终末耗竭相关转录和表观程序。增强线粒体自噬可改善线粒体功能、减少氧化应激并部分恢复抗肿瘤T细胞活性，但各通路对Tpex向终末耗竭转变的直接调控仍待明确。

5. 干性和记忆T细胞中的线粒体适应性：部分T细胞在持续抗原暴露下仍保留长期功能潜力，包括Tpex和常规记忆T细胞；二者在发育、转录和表观遗传上不同，线粒体特征不能无条件外推。Tpex和长寿命记忆群体通常保留较高呼吸能力和代谢灵活性，终末耗竭T细胞则进行性线粒体功能障碍；效应记忆和組織居留记忆T细胞呈情境依赖代谢程序。

5.1 线粒体适应性维持干性祖耗竭T细胞：耗竭T细胞沿祖样、中间和终末状态构成发育连续谱。Tpex较终末耗竭T细胞保留更强增殖和代谢能力；慢性LCMV感染中Tpex具有更高备用呼吸能力，短暂调节mTOR信号可增强长期T细胞应答和检查点抑制反应性。Tpex可定位于富含抗原提呈细胞和支持性细胞因子的瘤内生态位，以维持线粒体稳态和自我更新。Tpex线粒体表型研究不如常规记忆T细胞充分，FAO增强、线粒体自噬效率或OPA1依赖重塑等特征需在Tpex特异实验直接验证。

5.2 支持Tpex和记忆T细胞线粒体适应性的机制：TCF1是干样T细胞身份的核心调控因子，线粒体完整性、线粒体自噬和代谢能力亦与持久CD8⁺ T细胞状态相关；检查点抑制剂优先扩增既存TCF1⁺干样群体。OPA1介导的嵴重塑增强电子传递链效率、支持OXPHOS和线粒体完整性；Opa1缺失损害记忆CD8⁺ T细胞形成，增强线粒体融合可促进记忆样代谢表型和抗肿瘤活性，但Tpex特异证据有限。脂代谢和FAO参与部分记忆及组织居留T细胞维持，但脂质摄取、储存、从头合成、重塑和氧化后果不同，FAO不是Tpex或记忆T细胞的通用代谢标志；AMPK支持营养应激下代谢适应。应区分持久T细胞状态的共享线粒体主题与仅在记忆T细胞中实验定义的亚群特异机制。

5.3 线粒体适应性促进长期免疫持久性：多种持久T细胞群体的共同特征是长期维持线粒体功能，包括生物发生增强、质量控制有效、呼吸能力维持和代谢灵活性。线粒体适应性是持久T细胞状态的重要组分而非独立命运决定因素；保存的线粒体功能可能支持记忆或干样特性，进行性障碍常伴随终末耗竭。Tpex不等同于常规记忆T细胞，二者线粒体相似性应视为部分功能趋同而非发育同一性。检查点阻断的持久应答依赖代谢胜任的干样T细胞持续和扩增；瘤内TCF1⁺PD-1⁺ CD8⁺ T细胞在检查点阻断后优先增殖并介导肿瘤控制。线粒体适应性贡献而非独立决定干性、持久性和免疫耐久性。

6. 线粒体代谢物作为表观遗传调控者：线粒体除产生ATP外，还产生直接影响染色质组织、转录程序和细胞分化的代谢物，将代谢状态与T细胞命运决定相连。

6.1 乙酰辅酶A和αKG调控表观遗传可塑性：乙酰辅酶A是组蛋白乙酰转移酶底物，促进染色质可及性和T细胞激活、增殖、分化相关转录程序；LDHA缺陷T细胞中乙酰辅酶A可用性降低可减少Ifng位点组蛋白乙酰化并损害IFN-γ表达。α酮戊二酸（αKG）是DNA和组蛋白去甲基酶辅因子，促进抑制性表观标记去除和转录可塑性；谷氨酰胺来源αKG可调控CD4⁺ T细胞Th1/调节性T细胞平衡，S-2-羟基戊二酸而非αKG本身与CD8⁺ T细胞命运相关。现有证据不足以确立升高αKG直接增强CD8⁺记忆T细胞分化或抗肿瘤免疫；原代T细胞中αKG可用性可改变DNA和组蛋白甲基化并调节分化相关基因程序。维持乙酰辅酶A和αKG池可能通过保持染色质可及性和代谢适应性支持干样T细胞状态。

6.2 琥珀酸和延胡索酸在代谢应激下驱动表观重塑：线粒体功能障碍、缺氧和慢性代谢应激下琥珀酸和延胡索酸可蓄积，抑制αKG依赖双加氧酶，改变DNA和组蛋白甲基化并重塑转录程序。琥珀酸还可稳定HIF-1α并促进炎症信号，延胡索酸可诱导蛋白琥珀酸化并影响应激反应通路。CD8⁺ T细胞中持续琥珀酸暴露可改变组蛋白甲基化、增加TCF1表达并促进干样T细胞群体维持。上述机制在其他细胞体系较明确，但对CD8⁺ T细胞耗竭相关表观重塑的直接贡献仍待明确，宜视为新兴可能介质而非既定驱动因素。

6.3 代谢物驱动表观编程决定T细胞命运：Tpex和记忆T细胞维持保护线粒体完整性并利于表观可塑性代谢物的程序。肿瘤反应性CD8⁺ T细胞中，高细胞外K⁺诱导的营养限制降低胞质乙酰辅酶A和效应/耗竭相关位点组蛋白乙酰化，同时保留干样特性并增强体内持久性和肿瘤控制。耗竭T细胞线粒体代谢改变可扰乱代谢物可用性并促进稳定的耗竭相关染色质景观；实验性蓄积去极化线粒体可诱导向终末耗竭的转录和表观重编程。此类表观固定可能限制检查点阻断疗效。线粒体通过控制乙酰辅酶A、αKG、琥珀酸和延胡索酸可用性影响激活、持久、记忆和耗竭相关转录程序，但各代谢物对耗竭相关染色质重塑的具体贡献仍不完全明确且依赖情境。

7. 新兴概念与线粒体适应性的治疗靶向：线粒体适应性参与激活、持久、耗竭和治疗反应，促使研究人员探索生物发生、代谢重编程、质量控制、氧化还原稳态和细胞工程等策略。

7.1 新兴概念：线粒体转移和空间线粒体适应性：细胞可通过隧道纳米管、细胞外囊泡和接触依赖机制交换线粒体；肿瘤内基质、免疫和癌细胞间线粒体转移可影响代谢和治疗反应。骨髓基质细胞向CD8⁺ T细胞经纳米管转移线粒体可增加呼吸和备用呼吸能力并增强体内抗肿瘤活性；癌细胞来源mtDNA突变线粒体转移至肿瘤浸润淋巴细胞则可能诱导代谢障碍。空间转录组和单细胞技术揭示瘤内代谢异质生态位；Tpex倾向定位于支持线粒体完整性和自我更新的抗原提呈细胞丰富生态位，终末耗竭细胞聚集于缺氧和营养缺乏区域。人肾、前列腺和膀胱肿瘤中TCF1⁺干样CD8⁺ T细胞优先位于密集MHC-II⁺抗原提呈细胞生态位，提示局部组织构筑参与干样T细胞维持。

7.2 治疗靶向线粒体适应性：过表达PGC-1α和调控线粒体动力学已用于改善CAR-T细胞线粒体生物发生、氧化代谢、持久性和抗肿瘤活性；抗EGFR CAR-T中工程化PGC-1α变体增强线粒体生物发生和代谢适应性并改善实体瘤异种移植瘤控制。药理学上，激活PGC-1α、AMPK和SIRT1可促进线粒体生物发生、FAO、代谢灵活性和应激抵抗；烟酰胺核糖或烟酰胺单核苷酸补充恢复NAD⁺池；MitoQ、SkQ1及增强线粒体自噬和质量控制的干预可能保护线粒体完整性。检查点阻断疗效部分依赖线粒体适应性恢复，联合PD-1阻断与PGC-1α激活、AMPK激动剂、NAD⁺恢复、线粒体抗氧化剂或线粒体自噬增强剂是有前景策略；烟酰胺核糖改善CD8⁺肿瘤浸润淋巴细胞线粒体适应性并增强抗PD-1反应。转化挑战包括线粒体通路在T细胞、肿瘤细胞和免疫群体间共享，需细胞类型选择性靶向；部分肿瘤依赖线粒体代谢，需确定治疗窗和剂量；线粒体适应性体内生物标志物尚未建立，常用氧耗、备用呼吸能力、膜电位、线粒体质量和ROS水平多需离体操作，亚群和肿瘤异质性限制标准化阈值；多数策略仍主要基于临床前研究。

8. 局限性：该综述为叙述性设计，未采用预设系统综述方案或正式偏倚风险评估，不能排除选择偏倚和相关研究遗漏；实验模型、T细胞群体和肿瘤情境异质性可能限制直接比较和证据外推。

9. 结论：线粒体适应性涵盖线粒体数量和质量、代谢适应性及应激下维持功能的能力，整合生物能量、生物合成、信号和表观过程，影响T细胞激活、分化、持久和功能障碍。其建立于早期激活，受TME挑战，并在慢性抗原暴露中进行性受损；线粒体完整性丢失通过生物能量不足、氧化应激、去极化和质量控制缺陷促进耗竭，Tpex和部分记忆T细胞则保留较好线粒体稳态和代谢能力，但具体程序不同。乙酰辅酶A、αKG、琥珀酸和延胡索酸等代谢物连接线粒体代谢与干性、记忆和耗竭相关染色质及转录程序。现有证据支持线粒体适应性作为抗肿瘤T细胞状态的重要动态组分，与抗原、转录、表观和微环境程序相互作用，而非独立主控T细胞命运。未解决问题包括亚群线粒体表型界定、体内生物标志物验证、瘤内空间组织及其与营养和抑制性代谢物的关系。保存或恢复线粒体适应性是有前景的免疫治疗策略，但需明确情境和亚群特异脆弱点、开发细胞选择性干预并避免支持肿瘤代谢。