新型抗肿瘤治疗策略：靶向肿瘤相关成纤维细胞(CAF)

2022-10-04

免疫疗法疫苗信使RNA抗体放射疗法

随着对癌症知识的不断扩展，我们现在认识到肿瘤微环境是一个异质的、复杂的系统，其主要由肿瘤细胞和非恶性宿主组分组成，后者包括免疫细胞、间质和血管系统。在许多肿瘤中，例如胰腺癌、肺癌、乳腺癌和结直肠癌，间质占比癌块的比重高达90%。在肿瘤间质中既有细胞成分，也有非细胞成分，包括胶原、成纤维细胞和间充质基质细胞。成纤维细胞是肿瘤间质中最丰富、最关键的细胞类型之一，是细胞外基质(ECM)的主要产生者。在肿瘤微环境中，由癌细胞、宿主免疫细胞和基质细胞产生的各种炎性细胞因子可以激活成纤维细胞。这些被激活的成纤维细胞被称为癌症相关成纤维细胞(CAF)。通过产生可溶性因子，如细胞因子、趋化因子以及细胞外基质，CAF可以促进癌细胞生长、抑制肿瘤免疫反应、重塑ECM、影响肿瘤细胞耐药性和促进血管生成来促进肿瘤进展和转移。因而，靶向CAF近年来成为了一种新的抗肿瘤治疗策略。本篇我们就CAF由来、促肿瘤作用机制和CAF靶向治疗癌症的研究进展做一个简单介绍。CAF的由来CAF通常来源于成纤维细胞。肝脏和胰腺中静止的成纤维细胞，在被TGF-β和和血小板衍生生长因子(PDGFs)激活后，可以获得CAF表型。在成纤维细胞系之外，CAF也可以通过EMT从上皮细胞、脂肪细胞、周皮细胞和平滑肌细胞转分化获得。来源于单核细胞前体的循环间充质细胞，也可以分化为CAF。CAF的募集和激活是由低氧、氧化应激和肿瘤细胞产生的某些生长因子介导的。TGF-β、EGF、成纤维细胞生长因子2型(FGF2)和PDGF被认为是CAF募集和激活的关键调节因子。另外，来自天然免疫细胞的IL-1β通过JAK-STAT通路激活NF-kB并产生IL-6，可以促进CAF的分化。癌细胞产生的溶血磷脂酸与TGF-β可以协同作用促进CAF的激活。最近的研究还表明，小鼠黑色素瘤、鳞状细胞癌和乳腺癌分泌的外泌体可以通过TGF-β及其下游的SMAD信号通路促进成纤维细胞分化为CAF。这些复杂的起源是其功能多样性的基础，包括在细胞外基质重塑、免疫抑制和促肿瘤作用。CAF与静息成纤维细胞的区别CAF在几个方面与正常组织中的静息成纤维细胞不同。CAF通常比静止的成纤维细胞大，呈纺锤形，有凹陷的核和分叉的细胞质。然而，两者之间的区别在很大程度上是功能上的区别。CAF具有增殖快、迁移和分泌特性。CAF比未转化的成纤维细胞代谢更活跃，产生更多的细胞外基质因子，如Tenascin、periostin和富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白(SPARC)。CAF产生的胶原蛋白是异常的，通常僵硬和紧缩而导致大量的沉积。CAF在循环中也被发现，例如在88%的转移性乳腺癌患者和23%的非转移性疾病患者中被发现，这表明其在转移和转移前生态位的形成中发挥了作用。CAF表型和功能异质性CAF产生的各种来源使其表型、基因表达和功能变得非常复杂。已经建立了几个检测CAF的生物标记物。到目前为止，CAF被定义为缺乏上皮细胞、内皮细胞或造血细胞生物标志物的表达，但表达间质生物标志物，如波形蛋白、α-sma、FAP和PDGFR-α，并且缺乏基因突变。由于CAF的表型因肿瘤类型不同而不同，CAF研究需要应用多个生物标志物来检测和鉴定这些细胞。因此，CAF通常通过α-SMA、Tenascin-C、periostin、NG2硫酸软骨素蛋白多糖、PDGFFRα/β和FAP表达的组合来鉴定。其他间质标记物包括波形蛋白、纤维连接蛋白、I型胶原、4-羟基脯氨酸酶、成纤维细胞表面蛋白和成纤维细胞特异性蛋白-1(FSP-1)/S100A4。下表1总结了正常成纤维细胞和CAF表达的这些生物标记物。表1. 成纤维细胞和CAF相关的生物标记物表达α-SMA的活化成纤维细胞以往被称为肌成纤维细胞，但现在也被认为是CAF的一个亚群。α-SMA+CAF主要产生和调节细胞外基质，促进细胞与细胞外基质的黏附，并调节适应性免疫。FAP+CAF具有免疫抑制作用，其细胞外基质排列和僵硬程度较高。最新的scRNAseq转录组数据表明，成纤维细胞有3到7个主要亚群，但其中一些具有重叠的特征。CAF的促肿瘤作用分泌促肿瘤分泌因子一般说来，CAF分泌的细胞因子和趋化因子比静息状态下的要多得多。这些分泌因子包括TGF-β、血小板衍生生长因子、成纤维细胞生长因子、肝细胞生长因子、血管内皮生长因子、TNF-α、INF-α、CXCL12、IL-6等 (图1)。TGF-β作为肝纤维化的主要调节因子和CAF的主要分泌因子，主要介导CAF与癌细胞之间的相互作用。通过多种途径抑制TGF-β信号已被证明能显著抑制肿瘤生长和转移。图1. CAF促肿瘤作用的示意图CAF还被证明通过IL-6诱导EMT促进癌细胞的生长和迁移。CAF来源的IL-6水平升高可以诱导JAK/STAT3信号通路的激活，进而激活细胞周期蛋白D1而使肿瘤细胞增殖。下游BCL-xL的激活也可提高肿瘤的存活率。另外，STAT3还可诱导VEGF的表达。对化疗和辐射治疗的耐受传统的化疗针对的是快速增殖的细胞，但并不能消除所有的CAF，也不能消除那些产生抗药性的癌细胞。CAF可以促进化疗后耐药癌症表型的发展。一些体外实验表明，化疗引起的DNA损伤通过细胞因子和外泌体的间质旁分泌信号促进了癌细胞的侵袭和存活。化疗诱导的遗传毒性应激也可以触发DNA损伤，导致大量炎性细胞因子(IL-6/8)、血管生成(VEGF、CXCL1)和促EMT(HGF)因子的释放。据报道，几种化疗药物可以对成纤维细胞诱导CAF样表型，并促进乳腺癌和结直肠癌的干细胞分化。CAF介导的TGF-β信号与HIF-1α信号协同作用，增强肿瘤细胞中GLI2的表达，诱导干细胞分化。这导致了对化疗的抗药性。与化疗一样，放射治疗通过DNA损伤来阻碍癌细胞的生长。辐射不仅影响癌细胞，还影响癌细胞周围的组织微环境，包括免疫细胞、内皮细胞、血管系统和成纤维细胞。成纤维细胞对辐射具有高度的抵抗力。辐射后的成纤维细胞可以转化为更活跃的CAF表型。CAF对放射治疗的耐受还与自噬途径的激活有关。这种反应可能与CAF分泌的IGF1/2、CXCL12和β-羟基丁酸有关，其导致ROS增加，蛋白磷酸酶2A(PP2A)活性增强，抑制mTOR激活，最终导致辐射后癌细胞的自噬。使用IGF2中和抗体和自噬抑制剂3-MA可减少荷瘤小鼠放射治疗后的肿瘤复发。因而，将CAF靶向治疗与化疗或放射治疗相结合，可能会产生更强大的抗肿瘤反应。CAF的免疫调节作用免疫检查点抑制剂如PD-1和CTLA-4 ICIs引起了人们对免疫细胞-肿瘤串扰的关注。然而，关于基质成分对免疫环境的贡献却知之甚少。最近的研究表明，CAF通过分泌各种细胞因子、生长因子、趋化因子、外泌体和其他效应分子来调节肿瘤免疫，最终形成免疫抑制的肿瘤微环境，使的癌细胞逃避免疫监视。一般而言，CAF通过产生IL-1β和IL-6促炎细胞因子并表达能够驱动下游免疫抑制信号通路的配体CXCL12、CXCL1和G-CSF来塑造肿瘤微环境。例如，CXCL12调节肿瘤微环境中肿瘤细胞与周围细胞之间的相互作用，促进肿瘤存活、增殖、血管生成和转移。它还可以促进免疫抑制细胞及其前体细胞的招募，特别是分化为TAMs的骨髓间充质干细胞和单核细胞。CAF通过TGF-β和CXCL12可抑制CD8+细胞毒性T细胞的活性和在肿瘤内的募集。CAF还可以增加Treg在肿瘤内的募集，scRNAseq显示Treg中PD-1和CTLA4的表达上调。CAF可以通过抑制NK受体的激活、细胞毒活性和细胞因子的产生来损害其功能。CAF产生的血管内皮生长因子可通过抑制NF-κB的激活使得DC异常分化和抗原提呈功能的受损。因此，了解CAF和免疫细胞的相互作用为靶向免疫治疗的新策略提供了坚实的基础。靶向CAF：抗肿瘤治疗近年来，CAF靶向治疗取得了重大进展。这些方法的主要目的是：(1)直接或间接消耗CAF；(2)减少或消除CAF的促肿瘤和免疫抑制功能；(3)使CAF正常化或重新编程为静息的状态。靶向CAFs的化学疗法FAP在各种肿瘤的CAF亚群上表达。FAP是一种膜结合的丝氨酸后脯氨酸肽酶，它还具有内肽酶活性。Val-boroPro (Talabostat)是一种竞争性的脯氨酸肽酶抑制剂，通过降解细胞外基质在小鼠中显示了一些肿瘤生长控制。另一类药物是免疫毒素，它使用抗体将毒素特异性地递送到目标细胞。例如抗FAP-PE39免疫毒素可以显著抑制乳腺肿瘤生长并增加肿瘤中淋巴细胞的浸润。另外，还探索了诸如FAP靶向脂质体之类的纳米颗粒作为载体，以特定地向CAF运送治疗性药物，例如阿霉素。尽管这些策略临床前取得了一定成功，但临床都还处于早期阶段。免疫疗法已经探索了各种策略来增强对表达FAP的CAF的免疫疗效，从而抑制肿瘤的生长。用转FAP mRNA的树突状细胞接种FAP疫苗可抑制移植瘤和静脉注射肿瘤的生长。当使用针对FAP和肿瘤相关抗原的疫苗联合时，效果会增强。口服抗FAP DNA疫苗 FAP DNA疫苗已被证明可以显著抑制了原位注射的乳腺癌细胞的新生血管生成、肿瘤生长和转移，并且在加入阿霉素后可以大大增加肿瘤内药物的摄取。CAR-T细胞疗法也可用于直接靶向CAF。已有研究表明FAP特异性CAR-T细胞可以清除包括CAF在内的大部分FAP+细胞，并抑制肿瘤间质的生成，从而提高了化疗药物的摄取和抗肿瘤效果。红外线光免疫疗法(NIR-PIT)是最近一种清除CAF的创新方法，已被用于直接和特异性地清除肿瘤微环境中表达FAP的细胞。使用共培养的人食道鳞状细胞癌异种移植模型中该方法显著抑制了肿瘤的生长，并且没有不良反应。功能修饰/重新编程将激活的CAF恢复到静息状态的策略包括使用全反式维甲酸（ATRA）、minnelide (解除对TGF-β信号通路的调节)和维生素D的配体钙泊三醇。血管紧张素受体II的拮抗剂氯沙坦已被证明可以减少TGF-β介导的CAF的激活，减少促结缔组织发育，增加药物输送和免疫治疗的有效性。氯沙坦与其他传统化疗药物联合治疗胰腺癌，目前已经在进行临床试验。最近的一些策略通过阻断CAF信号通路的免疫抑制配体，如IL-6，LIF和TGF-β，以抑制或杀死癌细胞。CXCL12/CXCR4轴在肿瘤进展和免疫抑制中起重要作用。由CAF产生的CXCL12可以招募表达CXCR4的内皮前体细胞和免疫抑制树突细胞，这有助于血管生成和肿瘤生长。使用CXCR4抑制剂plerixafor在CAF中阻断CXCR4信号可显著减少纤维化，导致血管正常化，增加细胞毒性T细胞浸润，并可提高检查点抑制剂的有效性。其他抑制CAF功能的策略还包括TGF-β抑制剂、克服化疗耐药性的NFkB抑制剂和SMO 通路抑制剂(IPI-926)SMO 通路抑制剂(IPI-926)。小编小结CAF是肿瘤微环境中的一种重要细胞类型，其在促进肿瘤生长中发挥着不可或缺的作用。目前已经对CAF的由来、促肿瘤作用机制有了一定的了解。基于此，近年来开发了几种靶向CAF以抑制肿瘤进展和增强抗肿瘤免疫的方法，临床前的研究显示了其具有强大的疗效。我们期待这些靶向CAF的药物可以早日给患者带来临床益处。参考文献1.Cancer-Associated Fibroblasts: Tumorigenicity and Targeting for Cancer Therapy.2.Diversity and biology of cancer-associated fibroblasts.3.A framework for advancing our understanding of cancer-associated fibroblasts.