肿瘤微环境五花八门，治疗肿瘤如何将计就计？

2022-06-09

细胞疗法免疫疗法

前言肿瘤微环境(Tumor Microenvironment，TME)是指围绕肿瘤细胞的细胞和结构网络(图1)。TME不仅与肿瘤的发生、生长和转移密切相关，而且对肿瘤的治疗至关重要。本文将介绍TME的组成，总结TME中的特性及根据这些特性设计出一些抗肿瘤的方式。图1 TME的共聚焦显微照片（来源：https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/pictureshow/tumor-microenvironments）TME由细胞和细胞外成分组成。细胞成分主要由造血免疫细胞(巨噬细胞(TAM)，T细胞，B细胞，NK细胞，树突状细胞(DC)和骨髓来源细胞((MDSC))和常驻基质细胞(成纤维细胞(CAF)，内皮细胞(EC)等)组成。细胞外成分由细胞外基质(ECM)和细胞分泌的蛋白质(细胞因子，生长因子等)构成(图2)。• 巨噬细胞先天免疫系统的骨髓细胞，功能是维持组织稳态和通过细胞吞噬作用清除细胞碎片来防止感染。在癌症中，这些功能经常被抑制。 • T淋巴细胞 T细胞可分为CD4+辅助细胞，具有CD4+、CD25+、FOXP3+表型的Treg以及效应细胞(例如NK细胞和CD8+T细胞)。在肿瘤微环境中，Treg能够抑制CD8+T细胞，NK细胞，B细胞和抗原呈递细胞等多种免疫细胞，从而阻断抗肿瘤反应。• 血管原发性和转移性癌症都依赖于丰富的营养和充足的氧气来生长。因此，肿瘤可以发展出不同的肿瘤血管化机制，包括血管生成(新血管的形成)，血管共选(使用先前存在的血管)和血管模拟。然而，由此产生的肿瘤脉管系统通常是曲折的，异质的和功能失调的。• 淋巴管淋巴管的主要功能是去除间质液(ISF)和组织免疫监测。外周淋巴管还将抗原和免疫细胞运输到引流淋巴结，在那里可以启动免疫反应。在癌症中，这些功能经常受损，并且淋巴脉管系统可以作为肿瘤细胞在体内扩散的途径。• 成纤维细胞CAF在起源和功能上都是高度异质的群体。虽然大多数CAF是由局部组织成纤维细胞的激活和扩增引起的，但一些研究报告CAF起源于脂肪细胞，周围细胞，EC和骨髓来源的间充质干细胞。• 细胞外基质ECM可以由TME内的不同细胞产生，包括CAF，肿瘤细胞和EC，主要由胶原蛋白，蛋白聚糖，透明质酸和层粘连蛋白组成。ECM是肿瘤的重要结构支持，其作为肿瘤细胞侵袭和趋化性的支架，并且还充当生长因子，趋化因子等的储存库，这些生长因子，趋化因子等由TME中的蛋白酶调节释放。图2 TME的组成部分（来源：https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1002/mco2.6）TME是肿瘤生存的特殊环境，其特征总结为以下四个方面(图3)：• 免疫抑制肿瘤细胞来源的细胞因子、趋化因子、代谢物和抗原重编程免疫细胞，形成免疫抑制环境，其特征为M2样TAMs、Tregs、MDSCs等。• 缺氧肿瘤细胞的快速增殖和肿瘤脉管系统的不成熟导致缺氧。• 酸度高癌细胞采取有氧糖酵解来产生和释放乳酸，形成酸性环境。• 营养不足肿瘤细胞从TME中摄取大量营养物质(葡萄糖，氨基酸等)作为物质和能量需求，导致营养贫乏的环境。图3 TME的特点（来源：https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1002/mco2.6）几乎所有TME都具有上述四个特征，根据这些特征推进肿瘤研究，改善临床治疗，已经产生了如下手段。针对TME中的免疫抑制和炎症信号传导靶向免疫检查点抑制剂TME中存在的慢性炎症可以驱动T细胞走向“疲惫”或功能失调的状态。T细胞衰竭的一个主要标志是多个免疫检查点的表达增强，例如程序性细胞死亡受体-1(PD-1)，细胞毒性T淋巴细胞蛋白4(CTLA-4)和新的免疫检查点分子，如淋巴细胞激活基因-3(LAG-3)，T细胞免疫球蛋白和ITIM结构域(TIGIT)以及T细胞免疫球蛋白-3(TIM-3)(图4)。Ipilimumab是一种结合并阻断CTLA-4的全人源IgG，是美国食品和药物管理局(FDA)批准用于治疗转移性黑色素瘤的首个检查点抑制剂，目前正在晚期恶性肿瘤和转移性实体瘤(NCT02609268，NCT02817633)中进行抗TIM-3抗体TSR-022试验；在黑色素瘤(NCT02676869)，肾癌(NCT00351949)和乳腺癌(NCT02614833)中进行抗LAG-3抗体IMP321测试。一些I-II期临床试验也在实体瘤或肉瘤患者(NCT02304458)中测试抗CTLA-4和抗PD-1的组合疗法。其他试验正在研究抗PD-1疗法和新型免疫检查点抑制剂如BMS-986016(抗LAG-3)在晚期实体瘤和血液系统恶性肿瘤(NCT01968109，NCT02061761)中的组合。图4 免疫检查点抑制剂在癌症治疗中的作用（来源：https://www.researchgate.net/）靶向TAM或TAM相关信号的抑制剂表1 靶向TAM或TAM相关信号抑制剂靶向MDSC或/及其相关信号抑制剂表2 靶向MDSC或/及其相关信号抑制剂增强CD8+细胞功能或抑制Treg细胞增殖和细胞因子产生抑制剂表3 增强CD8+T细胞功能或抑制Treg细胞增殖和细胞因子产生抑制剂溶瘤病毒疗法肿瘤内注射病毒，病毒元件激活信号级联反应，涉及几种I型干扰素，janus激酶(JAK)，信号转导和转录激活子(STAT)，导致感染肿瘤细胞凋亡。另一种机制涉及免疫反应的激活，该免疫反应也在未暴露于病毒的远处肿瘤部位被激活。从感染细胞中释放细胞因子和活性氧(ROS)启动CD8+T细胞和CD4+T细胞反应对免疫系统的刺激，从而激活免疫反应。该过程也通过释放传播病毒感染的病毒抗原和免疫反应的扩增来扩增。Talimogene laherparepvec(T-VEC)是一种转基因单纯疱疹病毒I型，是第一个被美国FDA批准用于治疗晚期黑色素瘤的溶瘤病毒疗法。针对TME中的缺氧为了利用TME缺氧的独特特征，治疗剂通常设计为常氧环境中低毒性的前体药物，而在缺氧肿瘤区域选择性激活（图5）。缺氧活化的前体药物Papadopoulos等人设计了缺氧活化的前体药物AQ4N（巴诺蒽醌），该药物在缺氧区域转化为AQ4，AQ4是拓扑异构酶II的有效抑制剂。该前体药物用于治疗晚期实体瘤，如支气管肺泡肺癌和卵巢癌。Weiss等人设计了一种缺氧活化的前体药物TH-302 TH-302。这种前体药物在正常氧气条件下保持完整，并且可以在严重的缺氧条件下被激活（<0.5%O2）释放Br-IPM，一种DNA交联剂。TH-302 TH-302在转移性黑色素瘤和小细胞肺癌（SCLC）中显示出抗肿瘤活性。另一种缺氧细胞毒素是替拉帕扎明（TPZ），它优先显示出对缺氧癌细胞的细胞毒性活性。其潜在机制是TPZ在各种细胞内还原酶的催化作用下通过添加电子而形成自由基。这种TPZ自由基具有高度反应性，可在缺氧环境中导致DNA单链或双链断裂。然而，在需氧条件下，TPZ自由基被反氧化至无毒母体，其细胞毒性迅速降低。缺氧靶向纳米颗粒药物递送系统另一种策略是设计一种递送系统，在缺氧微环境中优先释放随附药物。例如，Huo等人报道了一种尺寸可调的纳米团簇炸弹，初始大小约为33纳米，在血液循环过程中具有较长的半衰期，破坏时释放缺氧微环境靶向纳米颗粒（NPs）以实现深度肿瘤渗透。图5 缺氧靶向治疗（来源：https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1016/j.tranon.2019.10.001）针对TME中的酸性环境正常组织中的细胞外pH值为∼7.4，而TME中的pH值要低得多（∼6.7–7.1）。TME中失调的pH值有助于肿瘤进展，侵袭，转移和化学抵抗，因此，靶向酸性TME是一种理想的肿瘤治疗策略（图6）。靶向质子膜转运蛋白抑制剂肿瘤细胞厌氧糖酵解而产生酸时，几种膜转运蛋白或交换体，H-ATP酶、Na-H交换泵NHE1以及单羧酸盐-H排出共转运蛋白MCT1和MCT4，在肿瘤细胞中高度增加或/和激活，驱动H外排。开发了一些靶向酸性TME的抑制剂：表4 靶向酸性TME抑制剂pH响应性药物释放系统该系统将细胞毒性化疗药物特异性地输送到酸性微环境。Zhang等人建立了一种药物递送系统，通过在有机硅纳米颗粒(MONs)上修饰pH(低)插入肽(pHLIP)，靶向肿瘤酸性微环境，其中阿霉素(DOX)被加载并且可以响应谷胱甘肽和TME中的低pH值而释放。Chen等人开发了另一种使用聚乙二醇(PEG)-DOX包封氮杂-BODIPY纳米热剂的pH响应递送系统。他们通过-HC=N-键将DOX与PEG-苯甲醛(PEG-CHO)连接起来形成希夫碱，然后将近红外光敏剂氮杂-BODIPY(AB)包封以形成亲水性纳米颗粒(DAB NPs)。–HC=N–键可以在酸性TME中被破坏，导致DOX特异性释放在肿瘤部位。图6 酸性靶向治疗（来源：https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1016/j.tranon.2019.10.001）H2疗法Yang等人通过原位还原Mg棒表面上的少量铂（Pt）来设计微电流池。将MgG棒植入肿瘤后，连续产生H2可抑制线粒体呼吸，损害肿瘤细胞内的氧化还原稳态，副产物Mg（OH）2可以中和酸性肿瘤微环境（TME）（图7）。在植入MgG的肿瘤中，观察到CD8+T细胞浸润的增加和免疫抑制性骨髓来源的抑制细胞（MDSC）数量的减少，表明免疫抑制型TME向免疫支持型TME的转变，这有利于抗肿瘤治疗。图7 MgG用于肿瘤微环境调节（来源：https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s41467-022-29938-6）到目前为止，对肿瘤微环境的认识仍处于相对初级的阶段。未来的研究需要关注TME形成的原始驱动力，不同肿瘤类型之间TME的变异，TME中免疫细胞的个体发生，肿瘤相关免疫细胞的代谢和免疫异质性，免疫细胞与肿瘤细胞之间的串扰等，从而提供更有效的治疗癌症的方法。参考文献Shi R, Tang YQ, Miao H. Metabolism in tumor microenvironment: Implications for cancer immunotherapy. MedComm (2020). 2020; 1(1): 47- 68.Yang, N., Gong, F., Liu, B. et al. Magnesium galvanic cells produce hydrogen and modulate the tumor microenvironment to inhibit cancer growth. Nat Commun 13, 2336 (2022).Zhong, S., Jeong, J.-H., Chen, Z., Chen, Z. & Luo, J.-L. Targeting Tumor Microenvironment by Small-Molecule Inhibitors. Translational Oncology 13, 57-69 (2020).