介绍
恶性原发性脑肿瘤是儿童和年轻人癌症死亡的主要原因，几乎没有治疗选择。在成人中，胶质母细胞瘤是最常见的原发性脑肿瘤，尽管采用了手术切除、靶向放射治疗、高剂量化疗和肿瘤治疗场（TTFields）等新方法，但其死亡率仍然一致，中位生存期<21个月[1,2,三,4,5,6,7,8]. 尽管早期发现了这些肿瘤的基因驱动因素，但它们包含的编码突变相对较少，并且它们的肿瘤内异质性已经被证明是非同寻常的[9,10]. 此外，这些肿瘤和宿主器官的独特特征阻碍了免疫治疗方法。大脑中的免疫系统遵循不同于其他免疫系统的原理，因此接触肿瘤受到血脑屏障（BBB）的限制，并且宿主受到大量内源性和治疗诱导的免疫抑制。因此，原发性脑肿瘤是毁灭性疾病，其独特的特征是一个相当重要的话题。在这篇综述中，我们仅简要讨论了脑转移的免疫学基础(方框1)但是，重点放在大脑免疫特权的特殊性、恶性胶质瘤独特的微环境、以及遗传基础和标准疗法对免疫治疗方法及其成功的限制。我们还总结了目前正在评估的现有免疫治疗方法和反应生物标记物。
方框1
脑转移和免疫检查点阻断
内源性和操纵性免疫反应的亚型，长期以来一直是胶质母细胞瘤的标志，在脑转移瘤中也越来越被认识到（Farber et al[230]). 大脑已经进化出多种机制，旨在抑制可能有害的炎症反应，限制T细胞反应的途径和范围。反过来，颅内隔室肿瘤往往能够篡夺这些机制来限制抗肿瘤免疫反应。与胶质母细胞瘤类似，脑转移瘤中的T细胞浸润通常少于周围的T细胞，成功浸润的T细胞会受到进一步的抑制作用，以促进耐受性和衰竭等功能障碍[150,231]. 脑内的肿瘤浸润在小胶质细胞和单核细胞中尤为严重，它们可能最终抑制细胞介导的免疫反应，这是脑转移的一种功能[232,233,234].
虽然中枢神经系统转移的全身和局部免疫后果没有原发性脑肿瘤的特征，但目前的数据表明，许多相同的微环境免疫抑制因子，包括调节性T（T规则)单元格[154,235]以及程序性细胞死亡蛋白1配体1（PDL1）的显著表达[236]. 许多研究已经证明T细胞的无效性与免疫检查点的表达有关[150,160]; 然而，与胶质母细胞瘤不同，现有证据表明，免疫检查点阻断可能对颅内转移瘤，尤其是黑色素瘤转移瘤具有显著疗效[151]. 然而，未来免疫治疗的成功将取决于我们对转移性肿瘤与大脑内免疫人群之间相互作用的深入理解。
脑瘤免疫学不同
免疫特权
大脑对免疫系统的传入和传出臂的可及性，从而对免疫治疗，几十年来一直是一个有争议的问题[11]. 从概念上讲，“免疫特权”一词是指一个部位不能拒绝异位组织移植。就大脑而言，这些实验通常归因于20世纪40年代的彼得·梅达瓦尔（然而，梅达瓦尔本人在其1948年的里程碑式论文中引用了白井、墨菲和坦斯利的早期工作）[12]. Medawar的研究不太为人所知的是，虽然同种异体皮肤移植到大脑中并不能引发免疫，但如果同种异体皮移植在体内其他部位进行初步移植后进行移植，它们确实会遭到排斥。因此，预先存在的免疫状态可以扩展到大脑，以促进排斥反应，但中枢神经系统（CNS）移植无法重新诱发这种状态。Medawar将这种观察到的差异归因于感觉到没有淋巴引流系统，因此也没有大脑内的传入免疫系统，这种感觉直到最近才被证明是错误的[13,14,15,16,17,18,19].
自Medawar的组织分级实验以来的许多年里，新技术越来越多地揭示了CNS免疫特权范式被夸大了。强调中枢神经系统参与区域淋巴管的传入机制的研究推翻了大脑免疫沉默的孤立主义观点。例如，从20世纪80年代开始，发现了从大脑到颈深淋巴结（通过嗅神经蛛网膜鞘、筛板和鼻粘膜）的抗原出口途径[13,14,15,16]. 胶质-淋巴（glymphatic）通路的识别为液体和溶质从大脑中清除提供了一种机制，将薄壁组织和间质与脑脊液（CSF）空间连接起来：CSF沿着动脉血管周围空间流入大脑，然后通过水通道蛋白4（AQP4）转运到间质水通道，沿静脉血管周围间隙流出前[20,21]. 自2015年以来，脑膜中功能性淋巴管的发现为含脑脊液的溶质和免疫细胞从大脑进入颈部淋巴结提供了直接引流途径[17,18,19].
考虑到这些对有效传入免疫系统的规定，许多人认为大脑在免疫学上是“独特的”而不是“特权的”[22] (). 这些概念也得到了传出中枢神经系统免疫的新范式的支持。中枢神经系统免疫传出臂的挑战历来归因于BBB[23]. 由毛细血管紧密连接和星形胶质细胞界限形成[24,25]BBB是大脑和体循环之间分子被动转运的结构屏障，只允许免疫细胞在毛细血管后微静脉水平通过[26]. 最终，由于与全身注射相比，直接抗原挑战激发了适度的免疫浸润，因此认为中枢神经系统实质只鼓励有限的免疫[27]. 然而，新的研究范式记录了大脑中T细胞的进入和免疫监视[26,28,29]反驳了BBB作为免疫细胞进入的“密封物”的观点。同样，脑胶质瘤和其他肿瘤对血脑屏障造成的损伤限制了血脑屏障通常提供的限制[30,31,32].
大脑中的免疫特权。从历史上看，中枢神经系统（CNS）被认为是免疫隔离的。有助于这一理解的特征是血脑屏障中存在紧密连接，缺乏经典的淋巴引流系统，经验数据显示中枢神经系统能够以最小的炎症反应靶向外来组织。然而，今天免疫特权的概念已经被部分重新定义。现在很清楚，中枢神经系统中存在功能性淋巴管，中枢神经内存在各种类型的抗原呈递细胞（APC），包括小胶质细胞、巨噬细胞、星形胶质细胞和树突状细胞（DC）等经典APC。众所周知，中枢神经系统不是从活化的T细胞中分离出来的，活化的T淋巴细胞可以不受限制地巡视这些隔室，中枢神经抗原可以在局部或引流的颈淋巴结中出现。虽然中枢神经系统中的免疫系统保持不同，但并非无能为力。脑脊液。
大脑免疫环境的另一个独特而动态的方面是其固有的髓细胞群[33]. 在基线水平上，这个群体几乎全部由小胶质细胞组成，小胶质细胞相当于大脑中的组织-巨噬细胞。小胶质细胞起源于卵黄囊髓系祖细胞，在发育过程中为神经组织播种，并通过复制维持[34]. 在没有炎症的情况下，小胶质细胞在一生中都保持其卵黄囊起源，而骨髓源性细胞没有参与。在炎症刺激后，小胶质细胞经历了显著的表型变化，而额外的巨噬细胞群是从循环单核细胞中招募来的[35]. 脑环境线索影响小胶质细胞和招募巨噬细胞的表型和活性；然而，这些常驻和招募的髓系人群的功能似乎在我们尚未完全理解的方面有所不同[36].
尽管缺乏免疫特权的传统表现和保护，脑瘤患者仍然具有预防免疫和促进自身免疫逃避的能力。例如，最近的一项研究揭示了颅内肿瘤的能力，特别是以依赖鞘氨醇1磷酸受体1（S1PR1）的方式将骨髓中的T细胞隔离，阻止了对中枢神经系统的监视，并助长了对抗原的无知[37]. 因此，尽管我们关于中枢神经系统免疫特权的历史概念可能已经过时，但大脑环境的特殊性继续为靶向体内肿瘤的基于免疫的平台提供独特而艰巨的挑战[38].
肿瘤微环境
与其他肿瘤类型相比，中枢神经系统肿瘤显示肿瘤过滤淋巴细胞（TIL）和其他免疫效应细胞类型的数量较少[39]. 这种“冷肿瘤”表型与免疫刺激疗法（如免疫检查点阻断）的不良反应有关[40]. 即使通过疫苗接种等手段诱导T细胞对中枢神经系统肿瘤的反应，抗原特异性TIL数量仍可能保持相对较低，并且那些经常出现的细胞表现出耗尽的表型[41]. 中枢神经系统肿瘤中T细胞数量减少且活性有限，这主要是由于大脑独特的免疫环境所致[42]. 由于其坚固的外壳以及颅内压升高可能造成的损伤，大脑中无限制的炎症对周围器官构成了前所未有的威胁。因此，中枢神经系统可能已经进化为一个炎症和适应性免疫反应都受到严格调节的环境。这种调节涉及分子和细胞水平的各种免疫抑制机制[43].
在对炎症刺激（包括来自肿瘤的刺激）作出反应时，脑基质细胞产生显著高水平的经典免疫抑制细胞因子转化生长因子β（TGFβ）和白细胞介素-10，这些细胞因子可对抗炎症细胞因子以维持体内平衡[44,45]. 胶质瘤细胞产生大量吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO），这两者都刺激调节性T（T规则)并通过耗尽微环境中的色氨酸来抑制T细胞活性[46,47]. 小胶质细胞和肿瘤滤过性髓细胞都会产生高水平的精氨酸酶，通过组织精氨酸水平的减少抑制T细胞的增殖和功能[48]. 大脑似乎特别容易受到氨基酸剥夺的影响，因为脑脊液精氨酸和色氨酸水平依赖于血脑屏障的主动转运，并且仅维持在血浆浓度的约10%[49]().
脑肿瘤微环境中的免疫抑制介质和治疗靶点。肿瘤相关巨噬细胞（TAM）在脑肿瘤微环境中起着核心作用。TAM来自循环中的单核细胞，在较小程度上来自小胶质细胞。趋化因子CC-趋化因子配体2（CCL2）和细胞因子集落刺激因子1（CSF1）支持单核细胞的招募及其向TAM的分化。TAM可以被激活为炎症或抗炎表型。炎性TAM通过产生炎性细胞因子，如IL-12和肿瘤坏死因子（TNF），抑制肿瘤生长并支持T细胞介导的肿瘤杀伤。抗炎性TAM和星形胶质细胞产生IL-10和转化生长因子β（TGFβ），两者都抑制T细胞效应功能和炎症性TAM活性[45]. 抗炎性TAM和小胶质细胞产生精氨酸酶，精氨酸酶通过从肿瘤微环境中去除精氨酸来抑制T细胞。胶质瘤产生吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO），其作用是招募调节性T（T规则)并通过色氨酸耗竭抑制效应T细胞。针对这些免疫抑制途径的潜在治疗策略以紫色显示。
抑制特异性免疫抑制因子的策略目前正在原发性脑肿瘤患者中进行测试，通常与其他疗法相结合。用反义寡核苷酸靶向TGFβ[50]或阻断抗体[51]以及TGFβ受体1（TGFβR1）激酶抑制剂的使用[52]，未能显示生存效益。一些正在进行的研究正在检查IDO抑制剂在原发性脑肿瘤中的应用(NCT02502708号（参考[53]),NCT02052648号（参考[54]),NCT02327078号（参考[55]))(); 然而，自ECHO-301第三阶段试验以来，对这些药物的热情有所下降(NCT02752074号（参考[56]))在转移性黑色素瘤（所有次级部位）的免疫检查点封锁中添加IDO抑制没有临床益处[57]. 精氨酸酶抑制剂治疗实体肿瘤的一期和二期临床试验目前正在进行中(NCT02903914号（参考[58]))，但没有一种是针对脑肿瘤的。总的来说，尽管在动物模型中取得了成功，但迄今为止，抑制脑肿瘤患者特异性免疫抑制介质的策略尚未显示出希望，这可能与其中一些药物渗透到脑实质有关，也可能与肿瘤可用的免疫抑制机制的多样性有关，这些免疫抑制机制可以弥补其中一种的缺失。
靶向特定免疫抑制因子的另一种选择是靶向产生这些因子的肿瘤微环境中的免疫抑制细胞。这种微环境的主要细胞成分是肿瘤相关巨噬细胞（TAM），它可以占肿瘤质量的30%[59]. 在小鼠模型和人类中，绝大多数脑肿瘤TAM似乎都是由循环单核细胞引起的，其中一小部分（约15%）是小胶质细胞衍生的[60,61,62]. TAM被认为可以促进肿瘤生长，TAM数量与肿瘤分级相关[63]. TAM促生长活性与抗炎M2巨噬细胞表型相关[64]; 然而，这可能是过于简单化了，因为体内存在范围更广的巨噬细胞激活状态[65].
已经探索了多种方法来减少TAM数量或将其重新编程为更具炎症和免疫原性的方法[66]. 细胞因子巨噬细胞集落刺激因子1（CSF1）促进髓细胞分化和存活[67]. 在小鼠中，用小分子抑制CSF1受体（CSF1R）可显著提高基因工程血小板衍生生长因子β（PDGFβ）驱动的胶质瘤模型的存活率[68]; 然而，在第二阶段的研究中没有观察到客观的反应(NCT01349036号（参考[69]))复发性胶质母细胞瘤患者的CSF1R抑制剂[70]. 化疗药物trabectedin已被证明通过消耗作为TAM前体的单核细胞发挥作用，至少部分是这样[71]. 其他策略，包括用受体拮抗剂抑制CC-细胞因子配体2（CCL2）-CC-细胞因子受体2（CCR2）介导的TAM积累[72]，用CD40激动剂或PI3Kγ抑制剂重新编程TAMs[73,74]，并通过CD47阻断增强TAM吞噬活性[75]，具有应用于脑肿瘤患者的潜力，但每种方法都存在相当大的发展障碍[66]. 例如，虽然CD47抗体增加了小鼠异种移植模型中肿瘤细胞的吞噬作用，但人类的CD47配体亲和力与小鼠的差异很大，这就对其翻译潜力提出了质疑[76]. 因此，虽然以脑肿瘤微环境为靶点是一种有吸引力的治疗方法，但其实现可能需要确定更有前景的治疗靶点。
基因组因素
最常见的恶性胶质瘤，即胶质母细胞瘤，尽管其突变负担相对较低，但表现为遗传异质性疾病[77,78]. 驾驶员突变的克隆选择是一个早期事件，大量乘客突变的后期获得导致肿瘤内异质性。在治疗前，胶质母细胞瘤有一个中性的进化模式，即突变变异体以相似的速度扩张和积累[79]. 不幸的是，一旦患者开始治疗，当亚克隆的扩展受到强大的选择压力的影响，并且对治疗模式的适应发生时，这种情况就会消失。在低度恶性胶质瘤的情况下，使用烷基化化疗药物替莫唑胺（TMZ）治疗可在高达60%的复发肿瘤中观察到过度突变[80]. 原发性胶质母细胞瘤复发时也会发生过度突变，但在接触TMZ后，发生频率明显较低，约为10%[81]. 这些事件的高潮是迅速出现对治疗的耐药性，特别是对单一靶点的耐药性[82,83].
在基于免疫疗法的背景下，这些基本观察结果具有许多重要意义。高肿瘤突变负荷（TMB）已成为免疫检查点抑制剂（ICI）反应的生物标志物，TMB被认为与预先存在的抗肿瘤适应性免疫水平相关[84,85,86,87,88]. 这种模式适用于TMB大于10个突变/megabase的肿瘤，如黑色素瘤或某些结直肠癌；然而，新诊断胶质瘤的TMB中位数约为1.5个突变/megabase。在新诊断的胶质母细胞瘤患者中，仅有不到2%的患者携带>10个突变/megabase，这些突变通常发生在错配修复基因的种系突变中，如在Lynch综合征中观察到的突变[89]. 因此，相对较低的TMB为T细胞靶点提供很少的体细胞突变，并可能减少应答T细胞克隆的阵列。这些观察结果可以部分解释ICI在大多数新诊断或复发性胶质母细胞瘤患者中表现不佳的原因。
免疫编辑是免疫系统消除携带免疫原抗原的肿瘤细胞的过程，从而选择耐药亚克隆[90]. 这一过程的证据已在包括胶质瘤在内的几种癌症中得到证实[91,92,93,94,95]. 胶质瘤纵向分析协会（GLASS）通过比较新诊断的样本与相同患者复发的样本，发现了支持胶质瘤免疫编辑的证据，表明一些成年患者正在进行积极的免疫监视[81]. 此外，最近的一项研究支持在一些患者中进行免疫编辑的可能性，该研究检测了抗程序性细胞死亡蛋白1（PD1）治疗复发性恶性胶质瘤样本后的整个外显子组和转录组。这些被定义为反应性肿瘤与更多样的进化模式有关，可能是由于新抗原的消除[96].
有几种战略试图克服这些固有的抵抗机制。例如，目前正在尝试在诊断时确定患有过度突变肿瘤的患者，以期为可能对免疫检查点抑制有反应的患者提供丰富的信息(NCT03718767号)[97]. 然而，这种方法的效用仍未得到解决，可能过于简单化，并可能受到众多竞争因素的不利影响。
胶质母细胞瘤通常表达表皮生长因子受体（EGFR）的突变形式，EGFR具有组成活性，并通过激活RAS–SHC–GRB2通路增强致瘤性。40胶质母细胞癌中最常见的EGFR突变形式是EGFR III类变异体（EGFRvIII），由于野生型受体的801碱基对框内缺失，其胞外结构域被截断[98]. 这种缺失导致肽两端的融合，并产生一个抗原位点，该抗原位点包含野生型肽中未包含的新甘氨酸残基[99]. 因此，EGFRvIII是胶质母细胞瘤理想的肿瘤特异性抗原。EGFRvIII在大约30%的胶质母细胞瘤中表达，并且在给定组织样本中37-86%的肿瘤细胞中表达[100].
治疗过程中抗原靶点的丢失严重限制了以单一抗原为靶点的免疫治疗。这一现象的一些最佳例子是疫苗或嵌合抗原受体（CAR）T细胞疗法以EGFRvIII为靶点，从而使肿瘤迅速重新融合，失去靶点表达，尽管有文献证明一些患者的CAR T细胞浸润以及EGFRvIII转录表达降低的初步证据[101,102,103]. 为了克服这种诱导对单靶点免疫疗法产生耐药性的现象，新出现的策略包括同时针对多种抗原的策略，例如最近报道的新抗原疫苗[41,104]; 那些靶向普遍存在的病毒抗原，例如来自巨细胞病毒（CMV）的抗原；以及那些旨在诱导广泛免疫反应的药物，如通过溶瘤病毒的天然免疫靶向[105,106,107,108,109].
表观影响
有新的证据表明，表观遗传事件在调节肿瘤免疫反应中起着关键作用，许多脑瘤携带表观遗传驱动因子的突变[110,111,112,113,114]. 主要例子包括异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变胶质瘤；携带组蛋白突变的基因，如组蛋白H3.1和H3.3；最近发现的原发性胶质母细胞瘤的一个亚群，携带SWI/SNF相关基质相关肌动蛋白依赖性调节因子染色质亚家族a样蛋白1（SMARCAL1）突变；以及许多儿科肿瘤，例如由SMARCB1突变驱动的非典型畸胎样横纹肌样肿瘤（ATRT）（参考文献[110,111,112,113,114]). SWI/SNF复合物是几种癌症（包括脑瘤）染色质结构和转录的重要调节器[115]. 现在很清楚，在非中枢神经系统肿瘤中，这些重要的蛋白质复合物中的成分突变，如富含AT的相互作用结构域1A（ARID1A）或多溴1（PBRM1；也称为BAF180），可以通过下游靶点转录的改变，驱动对基于免疫的疗法的耐药性和敏感性，例如吸引炎症细胞的趋化因子[116,117,118,119].
类似的表观遗传学事件似乎也在IDH1突变的胶质瘤中起作用。几组研究表明，IDH1突变可导致白细胞趋化性下调，从而抑制肿瘤相关免疫系统[120]. 与IDH野生型肿瘤相比，IDH突变肿瘤中细胞毒性T淋巴细胞相关基因和干扰素-γ（IFNγ）诱导的趋化因子，包括CXC-趋化因子配体10（CXCL10）的表达降低与此相关[121]. 在同基因小鼠胶质瘤模型中，突变型IDH1的表达也通过减少CXCL10的分泌抑制肿瘤部位T细胞的积聚（参考文献[121]). 在另一项研究中，IDH突变胶质瘤细胞通过表观遗传沉默激活受体NKG2D配体UL16-binding protein 1（ULBP1）和ULBP3获得对自然杀伤（NK）细胞的耐药性。此外，DNA甲基转移酶抑制剂dectabine介导的低甲基化可恢复IDH突变胶质瘤细胞中ULBP1和ULBP3的表达[122]. 这些数据证明了IDH突变胶质瘤的免疫逃逸机制，并表明突变IDH的特异性抑制剂可能提高IDH突变神经胶质瘤患者的免疫治疗效果[120,121,122]().
表观遗传事件在调节脑瘤免疫反应中起着关键作用。一|胶质瘤中的异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）突变可导致白细胞趋化性下调，从而抑制肿瘤相关免疫系统。IDH突变导致肿瘤代谢物2-羟基戊二酸（2HG；通过α-酮戊二酸的转化）的产生，进而抑制信号转导子和转录激活子1（STAT1）的表达，导致干扰素-γ（IFNγ）诱导的趋化因子的表达减少，包括CXC趋化因子配体9（CXCL9）和CXCL10。因此，IDH突变肿瘤抑制肿瘤部位T细胞的浸润和积聚。b条|在携带IDH突变胶质瘤的小鼠中，这些作用可以通过使用IDH-C35（突变IDH的一种特异性抑制剂）进行药物抑制来逆转。改编自参考[228]Springer Nature有限公司。
需要进一步研究恶性胶质瘤和其他脑肿瘤中免疫逃避的表观遗传调控作用。据推测，一些表观遗传药物，如去甲基化剂、溴代多巴胺抑制剂和组蛋白去乙酰化酶抑制剂，可能会在开始免疫治疗之前，逆转表观遗传驱动肿瘤中的不利免疫转录特征。这些正在进行临床前研究，但尚未发表。
护理标准的影响
许多患者受益于多模式治疗，包括手术、放射治疗和TMZ等化疗。虽然免疫治疗的局限性可能与肿瘤相关因素有关，如免疫原性差和肿瘤诱导的免疫耐受，但治疗诱导的免疫调节效应也可能发挥主要作用，既有不利影响，也有有益影响。
许多脑瘤患者接受辅助TMZ治疗。尽管TMZ为新诊断的胶质母细胞瘤患者提供了生存益处[1]，其主要剂量限制性毒性是骨髓抑制[123]. 此外，TMZ治疗的患者，尤其是在剂量强化（DI）方案中，机会性感染的发生率增加，并且免疫抑制[124]. 事实上，辐射和TMZ联合治疗与外周血中调节和效应单核细胞的变化有关，这些细胞使平衡向免疫抑制状态倾斜。这种转变肯定会影响放射治疗和TMZ治疗后免疫治疗的结果，在设计任何联合治疗方案时都应考虑到这一点[125,126]. 然而，临床前和临床数据也表明，恢复后的淋巴细胞减少状态可以诱导反应性稳态增殖，并增强抗肿瘤免疫反应。例如，在一项胶质母细胞瘤临床试验中，比较了两种不同的放射和TMZ联合治疗方案，一种方案每月5天使用标准剂量的TMZ，而另一种方案则每月21天使用更高强度的TMZ，更强化的方案诱导免疫抑制性T细胞比例增加规则但更强烈的TMZ方案也会产生更大程度的体液和延迟型超敏反应[124,127,128]. 一些已发表的关于脑瘤疫苗方法的研究现在支持这样一种假设，即与剂量密集的28天21天TMZ方案相关的淋巴消耗可能会增强免疫反应，特别是对肿瘤疫苗的体液免疫反应，这可能最终转化为改善临床效益[100,102]. 此外，来自颅外实体瘤的数据[129]例如黑色素瘤已经探索了过继免疫治疗的策略。这些研究表明，适时的淋巴耗竭可用于产生积极的免疫调节作用，部分原因是产生了免疫刺激性细胞因子和趋化因子环境[130,131,132,133].
