免疫治療中常見或潛在的生物標記物主要與以下幾個機制有關：1）腫瘤抗原，能夠提示高頻突變和新抗原的生物標記物，例如腫瘤突變負荷（TMB）、高度微衛星不穩定（MSI-H）等；2）炎性腫瘤微環境，能夠提示炎性表型的生物標記物，例如PD-L1、炎性特征等；3）腫瘤免疫抑制，即除PD-1/CTLA-4以外能夠明確腫瘤免疫逃逸的生物標記物，例如Tregs、MDSCs、IDO、LAG-3等；4）宿主環境；5）腸道微生物，能夠提示宿主環境特征的生物標記物。
（1） PD-L1
程序性死亡分子配體-1（PD-L1）是一種細胞表面蛋白，通過與活化的T、B細胞表面的PD-1受體相互作用，使T細胞失活，不再攻擊腫瘤細胞。臨床試驗發現PD-L1的高腫瘤表達與腫瘤侵襲性增加相關，并且死亡風險增加4.5倍； [26] 在肺非鱗癌患者中，PD-L1高表達的患者使用PD-1/PD-L1抑制劑的療效更優。 [23] [24]
（2） 腫瘤突變負荷（TMB）
腫瘤突變負荷（tumor mutation burden，TMB）指的是一份腫瘤標本中，所評估基因的外顯子編碼區每兆堿基中發生置換和插入/缺失突變的總數。高TMB腫瘤細胞可能具有更多的新抗原，從而導致腫瘤微環境和外周的抗腫瘤T細胞相應增多，因而可推測高TMB患者對腫瘤免疫治療產生反應的可能性更高。 [27] 但值得注意的是，不同的癌種TMB表達水平不盡相同，某些腫瘤患者的總體TMB水平會更高。
（3） 錯配修復（MMR）
錯配修復（mismatch repair，MMR）指的是由糾正DNA復制期間所產生DNA錯配的酶組成，預防分裂細胞中的突變成為永久性突變，這一過程涉及4個關鍵基因MLH1、MSH2、MLH6和PMS2。而在錯配修復的過程中，部分情況下可能會出現某一個MMR蛋白缺失，從而導致未能成功檢測錯誤的情況，這種情況便被稱為錯配修復功能缺失（dMMR）。 [28] 有時候MMR的異常會引發一系列癌變表型，臨床研究發現，MMR基因的突變或可幫助準確預測病人PD-1抑制劑的應答。 [29]
（4） 微衛星不穩定性（MSI）
微衛星是在人的基因組中發現的一種串聯重復DNA序列，如ATATATAT、CTCTCTCT、GGGG或AAAA。 [30] 微衛星不穩定是基因組高頻突變所致的分子表型，是由錯配修復系統受損后無法修復微衛星區域的突變產生的。 [29] 高度微衛星不穩定（MSI-H）就是指腫瘤的5個微衛星標記物中至少有2個標記物不穩定；僅1個標記物不穩定被歸類為低度微衛星不穩定（MSI-L）；沒有不穩定標記物則為微衛星穩定（MSS）。 [31] 臨床試驗發現，MSI-H的患者對免疫治療的應答更優。 [32]
（5）腸道微生物群（microbiome）
最近，腸道微生物群與免疫治療的關系受到密切關注。一項研究表明， [33] 腸道菌群可以調節抗黑色素瘤免疫治療的反應。“有利”的腸道微生物組（如高多樣性和富含Ruminococcaceae/Faecalibacterium）會增強抗原呈遞，改善T細胞功能和腫瘤微環境來增強抗腫瘤免疫反應。而“不利”的腸道菌群（如低多樣性和富含Bacteroidales）會破壞抗腫瘤反應。提示在接受免疫檢查點抑制劑治療時，應進行腸道菌群評估。也有研究提示，抗生素的應用因為對腸道微生物的影響，可能會消弱免疫治療的效果，但結論還需要進一步的證據來支持。