在TREM2+巨噬细胞中靶向AHR–IDO1–犬尿氨酸通路恢复甲状腺癌的抗肿瘤免疫

《Frontiers in Immunology》：Targeting the AHR–IDO1–kynurenine pathway in TREM2+ macrophages restores antitumor immunity in thyroid cancer

　　

摘要
引言：单细胞技术的进展为肿瘤微环境内的细胞异质性提供了详细见解。然而，驱动甲状腺癌中巨噬细胞介导的免疫抑制的调控机制仍不完全清楚。方法：研究人员对来自患者和小鼠甲状腺癌模型的肿瘤样本应用了整合的单细胞多组学方法，包括单细胞RNA测序（scRNA-seq）、单细胞ATAC测序（scATAC-seq）、质谱流式细胞术（CyTOF）、空间/组织学验证以及体外和体内功能实验。结果：研究人员在甲状腺癌免疫微环境中发现了TREM2⁺肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的显著富集。这些巨噬细胞表现出免疫抑制的转录和代谢特征，并通过激活AHR–IDO1–犬尿氨酸（Kyn）信号轴促进免疫逃逸，导致CD8⁺ T细胞功能受损。在实验模型中，药理学抑制AHR和IDO1逆转了免疫抑制并减少了肿瘤负荷。讨论：这些发现揭示了甲状腺癌中TREM2⁺巨噬细胞驱动的免疫代谢机制，并提示靶向AHR–IDO1–犬尿氨酸通路可能为改善抗肿瘤免疫提供潜在策略。

甲状腺癌是临床最常见的内分泌恶性肿瘤，全球发病率持续上升，其中乳头状甲状腺癌（PTC）占多数。尽管标准治疗（手术切除、放射性碘治疗和激素替代）在PTC患者中总体效果良好，但侵袭性、远处转移或复发的高风险病例疗效仍有限。近年来，免疫检查点抑制剂（ICIs）在多种恶性肿瘤中取得突破，但临床研究显示甲状腺癌（TC）对ICIs的总体反应率较低，提示肿瘤微环境（TME）中存在独特的免疫耐受机制，削弱了治疗效果。因此，阐明TC中免疫逃逸的分子机制并优化相关治疗策略成为关键研究方向。

肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）是肿瘤免疫微环境的重要组成部分，在癌症进展中表现出强免疫抑制活性。先前研究表明，TAMs通过分泌免疫抑制因子、基质重塑和调节适应性免疫反应促进肿瘤生长和转移。在实体瘤中，表达TREM2的TAM亚群备受关注，这些TREM2⁺巨噬细胞具有显著的免疫抑制功能，并与不良预后和免疫治疗耐药密切相关。然而，不同肿瘤微环境中该群体的代谢背景存在差异，例如肝细胞癌中TREM2⁺巨噬细胞主要表现脂质代谢异常，而胃癌中则依赖特定的趋化因子轴程序。目前，TREM2⁺巨噬细胞在甲状腺癌中的单细胞转录图谱、空间分布和独特代谢程序尚不明确，确定这些细胞是否介导甲状腺癌特异性免疫逃逸机制对于评估其作为治疗靶点的价值至关重要。

代谢信号通路与肿瘤免疫微环境调控密切相关，其中芳香烃受体（AHR）-吲哚胺2,3-双加氧酶1（IDO1）-犬尿氨酸（Kyn）代谢轴在近期研究中受到关注。AHR是配体依赖性转录因子，可感知微环境中的代谢信号并激活免疫抑制相关基因的表达。IDO1是色氨酸代谢途径的关键酶，其活性升高促进Kyn积累，进而通过抑制CD8⁺ T细胞功能和增强调节性T细胞（Treg细胞）扩增来促进免疫逃逸。尽管该通路的免疫调节功能在部分实体瘤中已有所表征，但其在TC中的激活模式和功能相关性仍不清楚，特别是该通路与TREM2⁺巨噬细胞的潜在相互作用需要系统研究。

最近，单细胞技术的进展革新了肿瘤免疫微环境的研究。飞行时间质谱流式细胞术（CyTOF）可在单细胞水平高通量定量分析多种蛋白标志物，实现免疫细胞亚群的精确分类和表型鉴定。此外，单细胞转座酶可及染色质测序（scATAC-seq）扩展了研究转录因子结合及相关调控网络的细胞特异性能力。在肿瘤免疫学领域，整合这两种技术为解析功能性细胞群体和揭示关键信号通路提供了全面策略。本研究首次应用CyTOF和scATAC-seq研究TREM2⁺巨噬细胞在TC免疫微环境中的功能和分子机制，为治疗研究开辟新途径。

在此背景下，本研究旨在系统阐明TREM2⁺巨噬细胞通过AHR-IDO1-Kyn信号轴驱动TC免疫耐受的分子机制。通过单细胞多组学工具，研究人员生成TREM2⁺巨噬细胞免疫表型和代谢特征的综合图谱，体外实验证实该关键信号通路在介导TAM免疫抑制中的作用。研究中使用的同源Braf^V600E移植模型再现了人类PTC中最常见的驱动突变（BRAF V600E，60%-90%），并在组织病理学、免疫微环境重塑和靶向治疗反应方面与临床疾病高度相似，为机制和干预研究提供了可靠实验平台。这项工作为TC免疫耐受提供了新的理论见解，并探索了靶向TREM2⁺巨噬细胞和代谢信号通路的潜在临床价值，特别是作为对ICIs反应不佳患者的代谢免疫干预策略。

研究人员开展了什么研究，得出什么结论：本研究通过整合单细胞多组学技术（scRNA-seq、scATAC-seq、CyTOF、空间转录组学、组织学验证）以及体外和体内功能实验，系统解析了TC免疫微环境中TREM2⁺ TAMs的表型、代谢和调控机制。结论：TREM2⁺巨噬细胞在TC中显著富集，具有免疫抑制和代谢重编程特征，通过激活AHR-IDO1-Kyn代谢轴抑制CD8⁺ T细胞功能，促进肿瘤免疫逃逸和进展。药理学双重抑制AHR和IDO1可逆转免疫抑制，重塑TAM极化，增强抗肿瘤免疫。该研究发表在《Frontiers in Immunology》。

主要关键的技术方法：样本队列来源包括小鼠甲状腺癌模型（C57BL/6小鼠携带同源Braf^V600E肿瘤）和人类TCGA-THCA数据库（肿瘤n=511，正常n=58）及公开数据集GSE232237（肿瘤n=6）和GSE182416（正常n=3）。主要技术方法：①单细胞RNA测序（scRNA-seq）用于解析细胞异质性和基因表达；②单细胞ATAC测序（scATAC-seq）用于评估染色质可及性和转录因子调控；③质谱流式细胞术（CyTOF）用于多参数蛋白水平免疫表型分析；④空间转录组学（10x Visium）和免疫组化/免疫荧光用于组织学定位和验证；⑤体内外功能实验包括过继转移、药物抑制（AHR抑制剂CH223191、IDO1抑制剂1-MT）和共培养系统，结合LC-MS/MS代谢物检测和ChIP-qPCR等。

研究结果：

**Aberrant enrichment of TREM2⁺ macrophages in the TC microenvironment and their positive correlation with tumor progression**
通过分析TCGA-THCA和公开scRNA-seq数据集，研究人员发现TREM2在TC组织中表达显著升高，TREM2⁺细胞几乎特异性定位于TAM群体（占TAM的58.6%）。差异分析显示TREM2⁺ TAMs呈现免疫抑制表型，伴有线粒体氧化磷酸化和TCA循环下调。TAM亚群分析表明TREM2⁺细胞在免疫抑制型TAM（IS-TAMs）中占比最高（21.1%）。

**Spatial distribution of TREM2⁺ TAMs at the infiltrative margin and their immunological interaction with CD8⁺ T cells**
免疫荧光和空间转录组学显示，TREM2信号主要分布于瘤内免疫抑制性生态位，与VEGF/CCL2共表达区域高度重叠（Spearman r=0.81），且TREM2与M2巨噬细胞标志物CD163共定位，提示其典型的免疫抑制表型。

**Identification and functional validation of a distinct TREM2⁺ macrophage subpopulation**
CyTOF分析表明，TREM2⁺巨噬细胞MHC-II表达降低，PD-L1和IDO1显著升高。体外共培养证实TREM2⁺巨噬细胞比TREM2^-细胞更强抑制CD8⁺ T细胞增殖。体内过继转移实验显示，TREM2⁺巨噬细胞促进肿瘤生长，同时降低CD8⁺ T细胞活化和细胞毒功能（IFN-γ和Granzyme B表达下降）。

**Multi-omics analysis reveals functional activation of the AHR axis in TREM2⁺ macrophages**
scATAC-seq显示TREM2⁺ TAMs在AHR基因座附近染色质可及性增加。ssGSEA和GSEA分析表明，AHR通路活性在TREM2^high TAMs中显著升高，且AHR模块评分与IL10和IDO1表达呈正相关（r=0.87和r=0.44），提示AHR调控免疫抑制基因。

**Functional validation of metabolic reprogramming and immunosuppression mediated by the Kyn pathway**
通过LC-MS/MS和酶活性检测，TREM2^high区域Kyn浓度和IDO1活性均显著高于TREM2^low区域，且IDO1活性与Kyn浓度正相关，证实IDO1-Kyn代谢轴激活。

**Dual inhibition of AHR and IDO1 restores CD8⁺ T cell effector function**
体内药物干预实验显示，联合使用CH223191和1-MT比单药更显著上调IFN-γ和Ki-67表达，下调PD-1水平；流式细胞术证实CD8⁺IFN-γ⁺和CD8⁺Ki-67⁺细胞比例增加，CD8⁺PD-1⁺细胞减少。

**TREM2⁺ macrophages mediate CD8⁺ T cell immunosuppression via the IDO1/TDO2-Kyn-AHR pathway**
TREM2⁺巨噬细胞中IDO1和TDO2蛋白水平升高，Kyn产生增加。条件培养基实验表明，TREM2⁺巨噬细胞通过Kyn激活CD8⁺ T细胞中AHR通路（CYP1A1上调），抑制IFN-γ分泌；IDO1抑制剂可逆转该效应，而外源性Kyn可恢复抑制。AHR拮抗剂CH223191直接作用于T细胞可消除Kyn介导的免疫抑制。

**TREM2⁺ macrophages promote TC progression through immunosuppressive remodeling**
体内模型显示，TREM2⁺巨噬细胞促进肿瘤生长，降低CD8⁺ T细胞浸润，增加Foxp3⁺ Treg比例和IL-10、TGF-β分泌。转录组分析显示免疫抑制基因（Foxp3、CTLA-4、PD-L1）上调，效应T细胞基因（Tnf、Ifng）下调。组织学验证进一步证实M2极化增强和CD8⁺ T细胞功能受损。

**AHR binds the IDO1 promoter and drives its transcriptional activation**
ChIP-qPCR证实AHR直接结合IDO1启动子区域。AHR敲除巨噬细胞中IDO1 mRNA和蛋白水平显著降低。TCGA-THCA数据显示AHR表达与IDO1和IL10正相关。

**Kyn enhances immune tolerance in the TC microenvironment via the TAM-Treg axis**
外源性Kyn处理Treg细胞后，IL-10和TGF-β1分泌增加。AHR抑制剂CH223191处理巨噬细胞后，IL-10和Arg1分泌减少，共培养体系中Treg细胞比例下降。

**Combined targeting of AHR/IDO1 reverses immunosuppression in TC by reprogramming TAM polarization**
联合治疗显著增加CD86⁺ M1样巨噬细胞比例，减少CD206⁺ M2样巨噬细胞，抑制肿瘤生长，增强CD8⁺ T细胞浸润和IFN-γ水平，降低Foxp3⁺ Treg比例。

**Critical role of TREM2⁺ macrophages in mediating immune tolerance via the AHR-IDO1-Kyn axis in TC**
RT-qPCR显示AHR和IDO1在TREM2⁺巨噬细胞中表达显著高于其他免疫细胞。共培养实验表明TREM2⁺巨噬细胞抑制T细胞增殖最强，且CD8⁺ T细胞功能随Kyn浓度升高呈剂量依赖性下降。

**Activation of the IDO1-AHR axis promotes M2 polarization and shapes an immunosuppressive TC microenvironment**
TCGA分析显示，TC肿瘤组织中M1标志物（IL12B、CXCL9）表达降低，M2标志物（TGFB1、CCL18）表达升高，提示IDO1-AHR通路驱动M1向M2极化。

讨论部分总结：本研究首次系统阐明TREM2⁺巨噬细胞通过AHR-IDO1-Kyn代谢轴驱动TC免疫耐受的机制。通过整合单细胞多组学、空间分析和功能干预，证实TREM2⁺ TAMs在TC中具有独特的免疫抑制和代谢特征，并建立了从机制到干预的完整证据链。与以往研究相比，本研究揭示了TC特异性的代谢免疫调控模式，即TREM2⁺ TAMs通过IDO1驱动的Kyn-AHR轴抑制CD8⁺ T细胞，区别于其他肿瘤中的基因调控或脂质代谢异常。双重阻断AHR和IDO1可有效重塑TAM极化，恢复抗肿瘤免疫，提示靶向代谢-免疫界面的策略具有转化潜力。研究局限性包括：主要基于小鼠模型，需人类样本验证；TREM2⁺亚群异质性需更大队列解析；联合治疗的长期疗效和毒性尚待探索。研究结论：本研究从单细胞多组学视角推进了对TC免疫微环境调控网络的理解，特别强调了AHR-IDO1-Kyn轴在TREM2⁺ TAM介导的免疫抑制和肿瘤进展中的核心作用。这些发现为TC免疫治疗提供了新见解，尤其是针对代谢与免疫相互作用的策略，并为开发直接靶向Kyn代谢和TAM功能的联合免疫治疗策略奠定了基础。