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The role and mechanism of novel CD39产 y6Tregs in human colorectal cancer immune microenvironment
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Chair:堑蜮塑型堕堕堕墅蜮趔蛐翻醣亟逃
(Committee of oral defence)
Committeeman 1: 曼塾鱼旦g!i旦坠堕垒丛鱼鱼£巫堑£曼Q卫!生!垦Q!卫i垫!Q£上!璺塑g些Q坠 Committeeman 2:i堡Q望g£堕曼型苎璺垦QQ!Q£卫塾!塑婴i堕弘圣b璺ji圣旦g坠堡i!曼堕塾Y Committeeman 3: Jimin Shao/SchooI of medicine,Zhe讧ang univers血
Committeeman 4: Qi翌ggi翌g迪g』曼鱼塾QQ!Q£堡垒鱼i鱼i卫星:圣堕曼ii垒旦g坠旦iy星!!煎Y
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Committeeman 6:咝型堕蜊婴趔蜮趔避翻醢幽迪
Date oforal defence: May 27,2016
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浙江大学研究生学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得逝婆太堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。
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浙江大学专业博上学位论文 致谢
致 谢
感谢我的导师黄建教授在这三年里对我精心指导和悉心关怀。当我在浩瀚如 烟的医学文献里苦苦挣扎,茫无头绪时,是他指引着我从临床医学及肿瘤微环境 的角度、免疫学原理来思考问题,带领我一步步迈入肿瘤微环境研究领域,帮助 我逐渐找到自己的研究方向,形成并完善了自己的研究思路。导师对科学研究执 着严谨的态度,一丝不苟的作风,一直感染着我。
感谢严俊教授在研究思路及论文修改中对我的帮助。 伍品师兄在研究思路及数据分析方面给予我很大的帮助。程溥师弟在标本处
理、基因沉默、RT.PCR、临床病理资料收集中给予我很多帮助。王震师弟、于秀 艳师姐及邵选医生在标本收集及处理方面做出了一定的贡献。武当师姐在流式检 测中给予我帮助。叶俊师兄及张涛医生在ELISA实验中给予我帮助。王晓晨及邱 福铭医师在临床标本收集方面做出了一定的贡献。
感谢王建伟老师及胡霞芸老师在临床标本收集方面对我的帮助。感谢肿瘤研 究所彭佳萍、吴昊、葛维廷、吕庆华及方永明老师在实验仪器以及实验材料等方 面为我提供便利。感谢临床研究中心张行老师及吴凌燕老师在流式检测及流式分 选方面对我的帮助。
特别感谢我的家人,是他们的理解与支持给我一往无前的动力和决心。
胡国明 2016年5月31日
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浙江大学专业博_上学位论文 中文摘要
新型CD39+y6Treg细胞在人大肠癌免疫微环境中 的作用及机制研究
浙江大学医学院 肿瘤学 博士研究生 胡国明 导师 黄建教授
中文摘要
研究背景
大肠癌是最常见的致死性恶性肿瘤之一。肿瘤微环境在恶性肿瘤发生、发展 及转移中发挥重要作用。免疫细胞是肿瘤微环境的核心组分,研究表明,免疫细 胞能通过诱导基因突变、促进肿瘤细胞增殖和存活、促进血管新生及颠覆抗肿瘤 免疫应答等多种机制促进肿瘤进展。近年来研究证实大肠癌组织中存在多种免疫 细胞浸润,且不同免疫细胞亚群、数量与肿瘤预后的关系截然不同。在肿瘤微环 境中,肿瘤及基质细胞通过分泌细胞因子、趋化因子及多种代谢产物招募、诱导 Treg细胞(regulatory T cells,调节性T淋巴细胞)、TAM(tumor-associated macrophages, 肿瘤相关巨噬细胞)及PMN.MDSCs(Polymorphonuclear myeloid—derived suppressor cells,多分叶核髓系起源的抑制细胞)等免疫抑制性细 胞建立免疫抑制网络,来抑制CD8+T淋巴等抗肿瘤效应T细胞和NK细胞(natural killer cells,自然杀伤细胞)的细胞毒性功能,从而促进肿瘤进展。
近年来研究表明,肿瘤组织中浸润性Treg细胞比例增高预示着癌症患者不良 预后。因此,解除Treg细胞对效应细胞的免疫抑制状态似乎对肿瘤治疗有希望。 目前,daclizumab,ONTAK等靶向Treg细胞的药物已经应用于临床试验中,并且 取得了一些较好的效果。然而,在人大肠癌患者中,Treg细胞与预后的关系在临 床研究中仍然互相矛盾。到目前为止,靶向Treg细胞的免疫疗法来有效治疗大肠 癌的临床试验尚未见报道。这表明当前针对大肠癌浸润性Treg细胞的免疫治疗策
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浙江大学专业博_上学位论文 中文摘要
略是行不通的,也进一步反映Treg细胞本身很可能不是促进大肠癌进展的关键组 分。鉴于Treg细胞是一个异质群体,因此,我们推测,在人大肠癌中,很可能存 在另外一种免疫抑制性细胞亚群,在促进肿瘤进展及免疫逃逸中起到关键作用。
78T细胞因其TCR由丫及6重链构成而得名,它包含多种功能亚群和组织特 异性亚群,并广泛参与免疫应答的调控。78T细胞广泛分布于肠粘膜组织中,在肠 道黏膜的稳态以及免疫调节中具有重要作用,是研究大肠癌免疫微环境的关键切 入点。另外,人78T细胞在不同条件刺激下可极化为多种功能亚群,目前与人肿 瘤有关的78T细胞亚群研究非常有限,文献检索仅有2篇乳腺癌研究中FoxP3+78T 细胞及本课题组研究发现的大肠癌浸润78T17细胞亚群。然而,大肠癌浸润78T17 细胞的免疫抑制作用是通过募集PMN.MDSC细胞来间接实现的,那么,是否存在 具有直接的或更强的免疫抑制功能的78T细胞亚群需进一步探索。
我们的前期研究揭示了人大肠癌中以78T17为核心的炎症性DC(Inflammatory DCs,infDC)~STl7/PMN.MDSCs)炎症免疫调控轴,能促进人大肠癌免疫逃逸及 进展,提示78T细胞亚群在人大肠癌免疫调控中的特殊意义。进一步研究发现, 肿瘤浸润78T细胞高表达CD39分子(约50%o且人CD39+78T细胞数量在肿瘤 组织显著增多。CD39是一种细胞外核苷酶,为参与腺苷代谢的重要组分。其高表 达与一些肿瘤预后差有关,利用CD39抑制剂POM一1处理可显著抑制恶性黑色素 瘤皮下移植瘤生长,但仅有小鼠过敏性皮炎的模型研究发现CD39+78T细胞具有 免疫抑制功能,提示CD39为76Treg的一个特异性标志物。因此,结合课题组前 期研究结果,我们认为,人大肠癌浸润CD39+78T细胞很可能是一新型免疫调节 细胞亚群。
我们对大肠癌浸润CD39+76T细胞功能的初步研究显示,肿瘤浸润CD39+78T 细胞能显著抑制外周血CD3+T细胞体外增殖,且其抑制能力显著强于肿瘤浸润传 统CD4+Treg细胞,表明CD39+78T细胞可能在大肠癌浸润抑制性T细胞中占主导 地位。另外,肿瘤浸润CD39+78T细胞的免疫抑制功能亦显著强于配对正常组织 来源的CD39+78T细胞,提示肿瘤微环境能促进CD39+78T细胞的免疫抑制功能。 然而人CD39+78Treg细胞在大肠癌微环境中的地位、诱导极化和发挥免疫抑制功
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浙江大学专业博士学位论文 中文摘要
能的机制尚不清楚,我们试图研究CD39+78Treg细胞在人大肠癌免疫微环境中的 地位、作用及机制,为干预肿瘤免疫抑制和调控免疫逃逸提供理论依据和思路。
研究方法
1、人大肠癌中CD39+78T细胞的鉴定及特征 经浙江大学医学院附属第二医院伦理委员会同意及临床确诊大肠癌患者知情
同意后,收集2014年1月至2016年1月该院肿瘤外科收治的109例大肠癌手术
样本中肿瘤及配对正常肠上皮组织(距离肿瘤边缘>5cm),于体外无菌环境制备 单细胞悬液,利用BD FACS Canto II多色流式细胞仪检测分析比较人大肠癌和配 对正常组织浸润CD39+78T细胞的比例、细胞因子分泌谱、分化相关表型、细胞 毒相关分子及趋化因子受体表达特征。
2、人大肠癌中CD39+y6T细胞的免疫抑制功能鉴定
利用AriaII Cell Sorter分选人大肠癌组织及配对正常肠上皮组织中CD39+78T 细胞;同时分选肿瘤浸润CD39—78T,传统CD4+Treg细胞、CD39+CD4+T及CD39+ CD8+T细胞;分别与免疫磁珠法分离的健康人外周血CD3+T(CFSE染色)、CD4+ T及CD8+T细胞体外共培养1周,最后利用FCM分别检测不同培养条件下CD3+ T细胞增殖,以及ELISA检测CD4+T及CD8+T细胞IFN吖、granzyme B及perforin 分泌。
3、CD39+78Treg细胞免疫抑制相关机制研究 利NELISA、高效液相色谱法(high.performance liquid chromatography,HPLC)
检测、比较并分析CD39+76Tregf噩/胞体外介导CD3+T细胞增殖抑制之研究中各培养
体系之NIL.10、腺苷浓度的差异;再利用Aria II Cell Sorter分选人大肠癌组织及配 对正常肠上皮组织浸润CD39+yaTN胞;同时分选肿瘤浸润CD39—78T,传统CD4+ Treg,CD39十CD4+T细胞及CD39+CD8+T细胞,再分别应用IL一10、TGF—p、CTLA一4 及PD.1等中和抗体以及腺苷A2A、A2B受体小分子拮抗剂SCH58261及PSB603,分
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万方数据
浙江大学专业博士学位论文 中文摘要
别与健康人外周血CD3+T(CFSE染色)、CD4+T及CD8十T细胞体外共培养1周, 流式检测CD3+T细胞增殖,以及ELISA检测cD4+T及CD8+T细胞IFN-7及perforin 分泌。
4、CD39+丫6Treg细胞诱导及机制研究
我们首先通过RT-PCR(Real—time PCR)及ELISA对大肠癌及其配对正常肠上 皮组织P勺TGF—B1表达水平进行检测;然后将正常肠上皮组织分选得到的CD39+78T 细胞与普通培养基或条件培养基(肿瘤组织来源上清、肿瘤组织来源上清+TGF—p1 中和抗体)或含有不同浓度人重组TGF—p1的培养基孵育1周,再分别与健康人外周
血CFSE染色的cD3+T细胞体外共培养1周,流式检测cD3+T细胞增殖,并检测、 比较分析各培养体系中腺苷浓度的差异。
为了研究大肠癌原发灶组织来源的SW480细胞系是否对CD39+1,6T细胞具有诱 导作用,我们首先利用肝PCR及ELISA检N!lSW480N胞TGF—p1,TGF.p2,TGF—p3 表达水平;并利用TGF.p1 siRNA转染SW480细胞下调其TGF一131的表达。最后,我
们将正常肠上皮组织分选得到的CD39+78T细胞,先分别与不同条件处理过的 SW480细胞(SW480细胞+TGF—p1中和抗体;TGF.p1 siRNA转染过的SW480细胞) 于体外共培养5天,清洗并收集CD39+78T-细胞,再分别与健康人外周血CFSE染色 的cD3+T细胞体外共培养1周,流式检澳IJCD3+Y细胞增殖,并检测、比较分析各培 养体系中腺苷浓度的差异。
5、肿瘤浸润CD39+76Treg细胞与大肠癌临床病理特征的相关性研究 最后,为了研究肿瘤浸润CD39+78Treg细胞与大肠癌临床病理特征的相关性,
我们分析了肿瘤浸润CD39+78Treg细胞百分率及数量与TNM分期、肿瘤大小、
肿瘤局部浸润、脉管侵犯、淋巴结转移及血液CEA(Carcinoembryonic antigen)浓
度的相关性。
研究结果
1、人大肠癌中,肿瘤浸润CD39+yST细胞占主导地位且表达免疫抑制相关分子。
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万方数据
浙江大学专业博士学位论文 中文摘要
在人大肠癌中,约50%肿瘤浸润78T细胞表达CD39分子。人CD39+78T细 胞数量在肿瘤组织显著增多,并高表达CTLA一4、PD,1及FoxP3等免疫抑制分子, 其中CTLA.4、PD一1的表达程度均显著高于CD39+CD4+T、CD39+CD8+T细胞。
另外,令人惊喜的是,我们发现,在大肠癌组织中,CD39+78T细胞在肿瘤浸润性 CD3+T细胞中的绝对数量显著多于传统CD4+Treg细胞。我们对CD39+78T细胞 的功能研究显示,肿瘤浸润CD39+yST细胞能显著抑制健康人外周血CD3+T细胞 的体外增殖,且其抑制能力显著强于肿瘤浸润传统CD4+Treg细胞,提示在人大肠 癌中,肿瘤浸润CD39+78T细胞是占主导地位的抑制性T细胞,而不是传统CD4+
Treg细胞。
表型上,肿瘤组织浸润CD39+78T细胞在表达细胞表面分子如CTLA.4、PD一1、 FoxP3、CD25、CD 1 6 1,GITR(glucocorticoid—induced tumor necrosis factor receptor related gene),趋化因子受体CCR6,PD—L1(PD一1的配体)及细胞毒性受体NKp44, 显著高于配对正常组织浸润CD39+78T细胞;而免疫效应分子如TRAIL,细胞毒 性受体NKp46及共刺激分子CD80则显著降低。肿瘤组织浸润CD39+78T细胞以 VSl型为主。另外,肿瘤组织浸润CD39+78T细胞在分泌细胞因子如IL。lO,IL.17A, GM.CSF,TGF.B1,TNF—c【,$100A9显著多于正常组织浸润CD39+78T细胞;而
IFN—v and IL一2分泌则显著减少。
接下来,我比较了肿瘤组织浸润CD39+1,6T及CD39—76T细胞在细胞表型方面 的差异。CD39+78T细胞表达更高水平FoxP3,CD25,CTLA一4,PD一1,PD—L1, CDl61,GITR,NKp44及NKp46。而且,CD39+yST较CD39—78T细胞分泌更多 IL.10,IL.17A,GM.CSF,TGF—p1,TNF。0【;而IFN一丫分泌则显著减少。
2、人大肠癌中,肿瘤浸润CD39+yST细胞较其它调节性T细胞具有更强的免疫抑 制功能。
体外研究表明,肿瘤组织浸润。CD39+78T、CD39—78T、传统CD4+Treg、CD39+ CD8+T细胞及配对正常组织浸润CD39+78T细胞或多或少都能抑制外周血CD3+T 细胞的增殖。然而,肿瘤组织浸润CD39+78T细胞的免疫抑制功能显著强于其它 免疫抑制性T细胞,包括传统CD4+Treg细胞。
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浙江大学专业博,上学位论文 中文摘要
进一步研究显示,肿瘤组织浸润CD39+76T细胞能显著抑制外周血CD4+T、 CD8+T细胞分泌IFN一丫及perforin、granzyme B,且其抑制能力显著强于其它免疫 抑制性T细胞包括肿瘤组织浸润CD39—76T、CD39+CD4+T、CD39+CD8+T细胞 及配对正常组织浸润CD39+Y6T细胞。
3、CD39+T6Treg细胞通过腺苷通路实现免疫抑制功能。 首先,我们利用ELISA检测发现,CD39+7fiTreg细胞体外介导外周血CD3+T
细胞增殖抑制之共培养体系中IL一10含量都非常低;接下来,体外阻断实验表明,
CD39+75Treg细胞对外周血CD3+T细胞的增殖抑制作用不能被IL.10或TGF—p的 中和抗体所阻断。进一步体外研究表明,CD39+76Treg细胞对外周血CD4+T、CD8+ T细胞分泌IFN一1,及perforin的抑制作用被CTLA一4或PD一1阻断抗体仅仅是轻微 地阻断,这也提示CTLA。4或PD.1不是CD39+7fiTreg细胞发挥免疫抑制效应的关 键介导因子。
我们发现CD39+76T细胞中存在一群共表达CD73的细胞,即CD39+CD73+76T 细胞。同时,我们利用HPLC检测发现,肿瘤组织来源上清中的腺苷浓度显著高 于配对正常组织来源上清;另外,在上述CD39+1,6T细胞介导的外周血CD3+T细 胞增殖抑制之共培养体系中,我们发现,来自肿瘤浸润CD39+76T细胞参与的共 培养上清中的腺苷浓度显著高于其它细胞参与的共培养上清。接下来,我们发现, CD39+76T细胞对外周血CD3十T细胞增殖以及CD4+T、CD8+T细胞分泌IFN.Y 或perforin的抑制效应能完全被腺苷A2A、A2B受体的小分子拮抗剂SCH58261 及PSB603所阻断,由此证明,CD39+76Treg细胞的免疫抑制作用是通过腺苷通路 实现。
4、肿瘤来源的TGF.B1能诱导CD39+7fiT细胞产生大量腺苷 首先,我们通过RT-PCR及ELISA检测发现,TGF—B1在肿瘤组织中的含量显
著高于其配对正常组织;接下来我们发现,正常组织来源的CD39+78T细胞经肿 瘤组织上清培养1周后,其产生腺苷能力及免疫抑制功能均显著增强;而加入 TGF—p1中和抗体后,其免疫抑制功能则无明显增强。进一步研究发现,人重组
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万方数据
浙江大学专业博L上学位论文 中文摘要
TGF—p1能诱导正常组织来源CD39+y6T细胞产生更多腺苷,且TGF—p1的这一诱 导作用呈浓度依赖性。
最后,我们发现SW480细胞显著高表达TGF—pl,而非TGF—p2或TGF。p3。 同时,利用TGF。p1 siRNA转染SW480细胞来下调TGF—p1在SW480细胞中的表 达水平。进一步研究发现,SW480细胞使正常组织来源CD39+Y6T细胞免疫抑制 功能及产生腺苷能力均显著增强,而加入TGF—p1中和抗体或经TGF—p1 siRNA转 染处理则让SW480细胞的诱导能力显著降低,表明SW480细胞对正常组织来源
CD39+yfiT细胞的诱导作用是通过TGF—B1实现的。 5、肿瘤浸润CD39+76Treg细胞与大肠癌恶性临床病理学特征呈正相关
通过对大肠癌浸润CD39+76Treg细胞数量与病人临床分期的相关分析,我们 发现肿瘤浸润CD39+76Treg细胞百分率及数量与TNM分期、肿瘤大小、肿瘤局部 浸润、脉管侵犯、淋巴结转移及血清CEA水平呈正相关。
结论
我们的研究首次揭示了人大肠癌中新型肿瘤浸润CD39+78Treg细胞是占主导 地位的抑制性T细胞以及肿瘤免疫抑制微环境的形成和免疫逃逸的关键介导者,
提示CD39+78Treg细胞浸润可能是人大肠癌的一个预后差的指标。因此,靶向 CD39+78Treg细胞为有效治疗大肠癌提供了潜在的可能性。
创新点
1、首次证明,在人大肠癌中,新型肿瘤浸润CD39+ySTreg细胞是占主导地位 及具有强免疫抑制功能的抑制性T细胞,而非传统观念认为的传统CD4+Treg细胞; 2、首次揭示了人大肠癌微环境中,“肿瘤细胞TGF.p卜CD39+7fiTreg细胞极
化一腺苷一免疫抑制一肿瘤进展”肿瘤调控新机制; 3、首次表明CD39+75Treg细胞浸润可能是人大肠癌的一个预后差的指标。
关键词:CD39+7fiTreg细胞;肿瘤来源的TGF—p1;腺苷;人大肠癌
VIII
万方数据
浙江大学专业博士学位论文 英义摘要
The role and mechanism of novel CD39+ySTregs in human
colorectal cancer immune microenvironment
Zhejiang University School of Medicine Oncology
M.D.Candidate: Guoming Hu
Supervisor: Jian Huang
Abstract
Background:
Tumor microenvironment promotes immune suppression through recruiting and expanding suppressive immune cells such as regulatory T cells(Tregs)to facilitate
cancer progression.CD4+Tregs are considered as the major immunosuppressive T cells in many cancers including human colomctal cancer(CRC).However,this conclusion is
not definitive as most of those studies did not extensively examine the whole suppressive T cell landscape.In fact,the role of CD4+Tregs in CRC is controversial in terms of their prognostic value.Therefore,it is drastically needed to understand the exact role of those regulatory T cells in human CRC.Since regulatory T cells are heterogeneous population,it is tempting to speculate that there may be another
immunosuppressive T cell population that plays a pivotal role in facilitating CRC
progression and immune evasion.
Our previous studies have demonstrated that innate IL..1 7..producing 75T cells (75T 1 7)could recruit and expand polymorphonuclear myeloid.derived suppressor cells (PMN—MDSCs)in the tumor that inhibit effector T cell function and establish an
immunosuppressive microenvironment thus promoting CRC progression,suggesting
that 75T cell subpopulation exhibited specific significance in immune regulation of human colorectal cancer.Further research showed that approximately 50%of tumor-infiltrating 75T cells expressed high levels of CD3 9 molecule.CD3 9+75T cells
were significantly increased in the tumor tissues compared to the paired normal tissues. Only a few model studies have unraveled that CD39+Y6T cells could/n vitro inhibit
万方数据
浙江大学专业博L学位论文 英文摘要
CD3+T cell proliferation,implicating CD39 is a specific marker of 76Tregs.Thus, based on our previous findings,we believe that human CRC—infiltrating CD39+78T cells are likely to be a novel immunosuppressive subset.
Our preliminary functional assay shows that tumor-infiltrating CD3 9+78T cells conventional CD4十Tregs and paired normal tissue sourced CD39+78T cells.This suggeNs tumor-infiltrating CD39+78T cells may be the predominant immunosuppressive T cells and tumor microenvironment can promote the immunosuppressive activity of CD3 9+78T cells.However,the role,underlying mechanism of induction and immunosuppressive activity of CD3 9+78T cells in human
CRC immune microenvironment still remains unknown.The aim of this study is to investigate the role and mechanism of CD3 9+78T cells in human CRC immune microenvironment and their clinical significance.
Methods:
Firstly,we used primary cell separation technology and multicolor flow cytometry analysis to study the phenotype and cytokines of CD3 9+78T cells in human fresh tl/lTIOr and paired normal tissues.Then we used fluorescence—activated cell sorting,ELISA,
HPLC and/n vitro CO—cuture experiments to study the immunosuppressive activity of CD39十yST cells and the adenosine—mediated mechanism on allogeneic peripheral blood CD3十T,CD4十T and CD8+T cells.To investigate the mechanism of CD39+78Treg
induction in tumor microenviroument,we still used fluorescence—activated cell sorting,
gene silencing,RT-PCR,ELISA,HPLC,and in vitro CO—cuture experiments to study the impact of tumor supematant,recombinant human TGF—p 1,colorectal SW480 cells on CD39十78T cells induction.Finally,we analyzed the correlation between tumor-infiltrating CD3 9+78Tregs and malignant clinicopathological features of CRC
patients。
Results:
1),In human CRC tissues,we found that approximately 50%of 76T cells expressed
hi曲level of CD3 9.CD3 9+78T cells were significantly increased in the tumor tissues
X
万方数据
compared to the paired normal tissues. Tumor—infiltrating CD39+76T cells expressed remarkably higher levels of CTLA一4, PD一1,FoxP3,CD25 and CDl61,and their absolute number in CD3十T cells was significantly more than CD4+CD25+CD 1 27low conventional CD4+Treg cells in the tumor tissues.CD3 9+78T cells exhibited potent immunosuppressive function on T cells.Surprisingly,CD3 9+78T cells exerted more potent immunosuppressive activity than convention
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