通常定植于正常組織的腫瘤細胞, 能夠與基質細胞、免疫細胞及其分泌因子、血管內皮細胞和細胞外基質(extracellular matrix, ECM)等組分共同構成腫瘤微環境(tumor microenvironment, TME)[1]。這些由腫瘤細胞招募和激活的免疫細胞及相關基質成分, 在腫瘤定植或生長早期, 形成抑瘤性炎性微環境從而阻礙腫瘤發生發展。而經過持續性腫瘤抗原刺激和免疫激活反應, 微環境中相關效應細胞處于耗竭或重塑狀態, 無法發揮正常功能甚至促進腫瘤的惡性表征, 產生免疫抑制性微環境[2]。由于維持免疫抑制微環境的主要細胞成分在腫瘤進展早期也發揮抗腫瘤作用, 因此可以通過靶向TME的免疫治療策略, 激發或恢復免疫系統固有的抑瘤能力, 重塑積極的免疫微環境, 并產生綜合性應答效果[3]。
腫瘤微環境
TME特點
腫瘤細胞與基質成分之間相互作用, 形成了功能復雜的TME。腫瘤相關成纖維細胞(cancer-associated fibroblasts, CAFs)是腫瘤基質的主要成分。CAFs主要分布于血管周圍或腫瘤外周纖維間質內, 分泌細胞因子、ECM成分及相關酶分子[4]。ECM為TME中細胞提供物理支持, 在細胞黏附和浸潤中發揮重要作用, ECM沉積能夠產生包裹腫瘤的致密纖維間質, 使得腫瘤組織較正常組織的脆度和硬度更高, 形成阻礙免疫細胞浸潤的物理屏障, 抑制抗腫瘤藥物靶向TME[5]。同時CAFs分泌的基質金屬蛋白酶, 能夠重塑ECM, 釋放趨化因子、生長因子及促血管生成因子等, 促進腫瘤的惡性轉化[6]。隨著腫瘤迅速生長和血管異化, 瘤內常發生血供不足現象, 并長期處于缺氧環境中, 同時細胞代謝會增加乳糖和氫離子累積, 形成酸性TME, 而由血管缺陷和代謝障礙導致的級聯信號激活, 促進了免疫抑制性TME的形成[7-8]。
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癌細胞被復雜的腫瘤微環境包圍
TME中有多種免疫細胞浸潤, 其中CD8+或細胞毒性T淋巴細胞(cytotoxic T lymphocyte, CTL)發揮腫瘤殺傷功能, 而調節性T細胞(regulatory T, Treg)減弱效應T細胞活性, 促進TME的免疫抑制。通常M1型巨噬細胞分泌Th1細胞因子, 發揮促炎和抗瘤作用, 但TME中的腫瘤相關巨噬細胞(tumor-associated macrophage, TAM)為M2型, 通過分泌Th2細胞因子促進血管生成和腫瘤侵襲。另一種能夠殺傷腫瘤的免疫細胞——自然殺傷細胞(natural killer, NK), 通過釋放顆粒酶和穿孔素或以其Fc段受體介導抗體依賴的細胞毒性作用殺傷靶細胞, 但在TME中富集的TGF-β會抑制其殺傷活性。樹突狀細胞(dendritic cell, DC)同樣會受到TME中缺氧和炎癥環境影響削弱其抗原提呈活性。而髓系來源抑制細胞(myeloid-derived suppressor cell, MDSC)作為TME中的免疫負調控因素, 能夠抑制T細胞激活和多種免疫細胞活性[9]。不同腫瘤的分子類型各異, 但腫瘤細胞間的惡性表型相對統一, 因此基質細胞類型和富集程度往往決定了TME特性, 進一步影響了靶向性免疫治療的應答機制[1]。
腫瘤微環境的免疫特征和相關機制
TME的異質性使得個體間腫瘤進展仍存在較大差異[10]。理論上腫瘤抗原能夠被宿主T細胞識別和清除, 但實際上腫瘤的難治和復發現象提示了腫瘤的免疫逃逸。難治性腫瘤的免疫微環境通常分為豁免型和炎癥型。炎性腫瘤微環境中富集有活化的T細胞和髓系細胞, 并有趨化因子、Ⅰ型干擾素(interferon, IFN)信號表達。相反, 在“冷腫瘤”, 也就是免疫豁免型TME中, 僅存在少量免疫細胞或抑制性亞群, 如Treg、MDSC和TAM, 而效應性免疫細胞無法有效浸潤至腫瘤微環境, 僅分布于外周基質, 難以發揮抑瘤功能[11-12]。因此需要根據TME中不同的免疫逃逸機制, 開發針對差異性免疫微環境的激活策略[9]。
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腫瘤內發現的微生物
免疫細胞浸潤障礙 TME中T細胞浸潤程度與免疫治療效能密切相關。影響T細胞浸潤的因素存在多樣性。例如在黑色素瘤小鼠模型中, 由于缺乏CD103+ DC分泌的CXCL9和CXCL10, 過繼回輸的效應T細胞無法有效進入TME[13]。在前列腺癌和結腸癌中, MDSC產生活性氮, 致使趨化因子CCL2發生硝化, 抑制CTL和Th1型效應細胞的浸潤[14]。CAFs促進未成熟髓系細胞浸潤, 該細胞可能整合和呈遞腫瘤相關抗原至CD8+T細胞, 并攜帶相關的致死性信號PD-L2和凋亡相關配體FasL, 抑制腫瘤特異性CD8+T細胞浸潤至TME[16]。
T細胞耗竭 慢性感染模型中T細胞的低應答現象稱為T細胞耗竭。近期發現TME中T細胞也存在相似狀態, 在持續性暴露于腫瘤抗原和炎癥條件下, T細胞的抑制性受體激活和效應因子缺失, 導致其殺傷功能損傷, 最終形成了抑制性的免疫微環境[17]。耗竭早期T細胞IL-2的生成及殺傷能力受損, 中期TNF-α缺失, 而晚期IFN-γ和顆粒酶B的產生受限[18]。耗竭的T細胞高表達抑制性受體, 包括程序性死亡受體1 (programmed cell death protein 1, PD-1)、CTLA-4、LAG-3、TIM-3、TIGIT等, 其中PD-1是調控T細胞耗竭的主要抑制性受體[19]。
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TME中免疫細胞的代謝特征
抑制性免疫細胞浸潤 在TME中具有抗腫瘤能力免疫細胞的浸潤, 通常伴隨著免疫抑制性細胞的代償性增加, 通過檢測單一類型細胞富集程度, 無法有效體現對TME中免疫狀態的判斷, 因此可通過綜合測定瘤內CD8+T細胞和Treg細胞等抑制性細胞的比例評估其預后價值[20]。腫瘤的血管內皮富含細胞凋亡相關配體FasL, 使CTL難以富集至腫瘤, 而Treg細胞能夠通過高表達凋亡抑制分子c-FLIP逃避FasL介導的殺傷而得以大量聚集[11]。乳腺癌中CAF能夠分泌CCL5, 募集高表達其受體CCR1的Treg細胞至TME中[21]。而在SMAD4缺陷的結直腸癌, 腫瘤侵襲區高表達的CCL15能夠趨化表達CCR1的MDSC至TME[22]。
靶向TME的免疫治療策略
不同于腫瘤細胞累積產生的適應性突變和獲得性耐藥, 靶向TME的免疫治療策略有較好的穩定性優勢。由于TME功能的兩面性, 干預需精確調控TME抑瘤或促瘤能力的平衡。因此需要研究確定TME分別在正常和腫瘤條件下關鍵的差異化信號[24]。
免疫檢查點阻斷抗體 免疫檢查點蛋白是在免疫反應中產生共刺激或抑制信號的分子, 在正常條件下調控宿主免疫反應。近期研究主要集中于免疫檢查點PD-1及其配體PD-L1信號軸, 腫瘤中高表達的PD-L1能夠與T細胞表面的PD-1結合, 限制T細胞激活并誘發其耗竭狀態從而導致腫瘤的免疫逃逸。因此對PD-L1陽性的腫瘤, 應用PD-1或PD-L1單克隆阻斷抗體, 糾正TME對T細胞的免疫抑制, 能夠使T細胞恢復正常激活狀態[12]。近來研究發現, PD-L1陰性的腫瘤對PD-1/PD-L1的免疫檢查點阻斷治療有良好應答, 同時TME中浸潤的免疫細胞高表達PD-L1, 且與PD-L1阻斷的療效密切相關。這說明TME中表達的PD-L1, 在腫瘤免疫逃逸中也發揮重要作用[25-26]。CTLA-4是表達在Treg上的免疫檢查點分子, 通過抗CTLA-4單抗清除Treg細胞, 能夠系統性解除機體對CTL的抑制, 激活T細胞免疫應答[27]。
逆轉T細胞的耗竭狀態有助于免疫微環境正態化, 恢復免疫系統抑制腫瘤的能力, 是治療腫瘤的有效策略。2011年美國食品藥品監督局(FDA)批準首款適用于轉移性黑色素瘤的抗CTLA-4單克隆抗體藥物Ipilimumab[28]。2014年日本和美國分別批準首款抗PD-1單抗藥物Nivolumab和Pembrolizumab, 應用于其他治療無效的高級別轉移性黑色素瘤, 且使用Pembrolizumab的患者較之于Ipilimumab有較長的無進展生存期且毒副作用減少[29]。同時PD-1單抗藥物的適應證范圍也在逐步擴大, 在非小細胞肺癌、腎癌、膀胱癌、胃癌、頭頸癌等多種惡性腫瘤中也存在生存獲益[31]。且針對上述兩個不同策略(PD-1/CTLA-4)的聯合靶向阻斷也是目前療效良好的協同治療方案[27]。但隨著免疫檢查點抑制劑的廣泛使用, 其相關并發癥如免疫性肝炎、肺炎、腸炎、心肌炎甚至神經系統炎癥等多種疾病被逐漸發現, 據報道經PD1療法導致的免疫性心肌炎死亡率高達46%, 目前尚無有效的干預手段, 因此對免疫檢查點藥物的應用仍需謹慎, 避免可能出現的嚴重并發癥[32]。
嵌合抗原受體T細胞技術(CAR-T)和T細胞受體嵌合型T細胞技術(TCR-T) CAR-T和TCR-T技術都是將患者自身的T淋巴細胞在體外進行改造, 然后回輸體內殺傷腫瘤的過繼療法, 但是它們識別抗原的機制不同。CAR-T技術通過在T細胞上直接嵌入與特定抗原結合的人工合成抗體, 使T細胞能夠識別細胞表面的抗原, 并靶向殺傷表達該腫瘤抗原的細胞。而TCR-T技術則利用α和β肽鏈構成的異元二聚體來識別由主要組織相容性復合體(major histocompatibility complex, MHC)呈現在細胞表面的多肽片段, 并通過基因修飾的方式, 增強對腫瘤抗原識別能力較弱的T細胞的親和性[33]。
體外實驗中CAR-T細胞能夠有效裂解腫瘤細胞, 同時在急性淋巴細胞白血病中, CAR-T治療的完全應答率接近90%, 顯示出持續的疾病緩解效果, 然而CAR-T對實體瘤的療效甚微[34]。由于實體瘤中TME及腫瘤抗原的復雜性, 使得腫瘤中CAR-T細胞浸潤受限, 靶向腫瘤的殺傷能力減弱。在TCR-T技術中, MHC分子能夠展示從細胞表面和細胞內蛋白中獲得的肽鏈, 與CARs相比, 能夠靶向腫瘤內外多種抗原, 更具備腫瘤特異性。雖然CAR-T細胞殺傷腫瘤細胞的能力卓越, 但如果沒有合適的靶點也無法對實體瘤發揮作用。同時, 由于CAR靶向的抗原在腫瘤表面有上千個拷貝, 可能會在CARs滲透到腫瘤內部前將其吸收, 使得CAR-T細胞附著在腫瘤外層難以向內部滲透。而TCR-T細胞初遇腫瘤時接觸的抗原可能少于50個拷貝, 使其能夠深入腫瘤內部與抗原結合, 從而保證更均衡的藥物分布[33, 35]。鑒于TCR-T技術在識別腫瘤新抗原和浸潤能力方面的優勢, 有望突破CAR-T對實體瘤治療的局限, 進一步優化激活T細胞應答的策略。但該療法仍存在脫靶效應、細胞因子釋放綜合征(cytokine release syndrome, CRS)及神經毒性等副作用, 其中CRS以大量炎性細胞因子短暫劇烈升高為特征, 嚴重時形成細胞因子風暴, 造成全身器官功能紊亂甚至危及生命, 因此仍需深入研究提升過繼細胞療法的安全性[36]。
溶瘤病毒治療
溶瘤病毒是天然或經基因改造后可特異性攻擊和破壞腫瘤細胞的病毒。其中最受關注的為裝配有靶向或功能因子的病毒, 根據插入基因序列的不同, 或選擇性靶向腫瘤細胞、復制并發揮裂解功能, 或激發TME、系統性重塑免疫環境。研究表明應用溶瘤病毒療法能夠使TME的免疫特征轉化, 將傳統意義的“冷腫瘤”轉化為“熱腫瘤”[37]。同時溶瘤病毒能夠促進TME中免疫組分與腫瘤細胞間的交互作用, 促使腫瘤細胞死亡[38]。與其他免疫治療方法相比, 溶瘤病毒對腫瘤組織的破壞, 能夠使腫瘤抗原特異性的CTL迅速反應, 激活局部或系統性的免疫信號, 與抗原激動性的腫瘤疫苗效果接近, 使溶瘤病毒成為了免疫檢查點阻斷的理想聯合治療方案[39]。
在腦膠質瘤模型中, 使用表達IL-12的溶瘤病毒, 并同時應用抗CTLA-4和PD-1的免疫檢查點阻斷治療, 該三聯療法能夠增加瘤內M1型巨噬細胞的富集及效應T細胞與調節性T細胞的比例, 逆轉抑制性TME, 是優化的聯合治療策略[40]。TME中表達的PD-L1能夠誘發溶瘤病毒治療抵抗, 在使用新城疫病毒的溶瘤治療時, 盡管腫瘤中效應T細胞的浸潤增多, 但PD-L1表達增高, 相關的免疫抑制性通路被激活, 而同時聯合PD-1或PD-L1靶向治療, 不僅能使處理部位腫瘤減小, 也能夠抑制遠端腫瘤生長, 發揮旁觀者效應[41]。2015年美國FDA首次批準溶瘤病毒藥物talimogene laherparepvec(T-vec)用于手術切除后復發的黑色素瘤不可切除病灶的局部治療, 其能夠顯著延長患者生存期并增強免疫檢查點阻斷療效[42], 目前由于治療效果及適宜人群較少等原因導致該產品并未取得良好的銷售市場, 但這為更好理解溶瘤病毒治療機制和開發更合理的聯合治療方案提供了參考。
靶向腫瘤基質
TME中的基質和血管成分雖不及腫瘤浸潤免疫細胞在腫瘤免疫治療中的主角地位, 該成分對抗腫瘤免疫治療也有重要影響。常用方法為降低基質硬度和纖維化, 改善免疫細胞浸潤和藥物遞送。在胰島管腺癌動物模型中, 使用IL-15激活的NK細胞、CD40的特異性單抗及分泌GM-CSF的全細胞疫苗, 都能夠通過部分消解TME中的纖維間質促進免疫細胞浸潤[43-45]。與此相似, 抑制參與基質纖維形成的蛋白酪氨酸激酶2, 能夠延長小鼠生存期, 同時使得其對T細胞過繼回輸和PD-1阻斷治療更加敏感[46]。在TME激活作用下, CAFs分泌的TGF-b通過激活促纖維信號通路加速纖維基質的形成, 使免疫細胞被阻隔于富含CAF和膠原纖維的腫瘤基質中[47], 通過多種方式靶向TGF-b(中和單克隆抗體、受體抑制劑、配體陷阱)對致敏免疫檢查點阻斷的免疫治療及恢復炎性TME有效, 表明TGF-b可作為針對炎性TME中免疫細胞浸潤障礙的靶點, 開發新的免疫治療策略, 并能夠對免疫細胞浸潤障礙患者的免疫治療效應進行評估[48-50]。
靶向TME中其他細胞
TME中由腫瘤細胞和宿主細胞產生的色氨酸分解代謝酶IDO, 能夠促使Treg細胞激活, 并增加MDSC浸潤。因此使用IDO抑制劑, 同時聯合CTLA-4、PD-1單克隆抗體和CAR-T細胞治療對腫瘤有良好療效[54-55]。在動物模型中, 抑制CSF-1受體激活的單克隆抗體RG7155能夠有效減少TAM聚集并增加CD8+/CD4+細胞比例, 同時在彌漫型巨細胞瘤的Ⅰ期臨床試驗中, 注射RG7155的患者TME中CSF-1R+CD163+巨噬細胞明顯減少, 并有顯著的臨床獲益[56]。CD47在多種腫瘤細胞和正常細胞上表達, 并與髓系細胞的免疫檢查點蛋白SIRPα結合后傳導“別吃我”信號, 人源SIRPα單克隆抗體KWAR23能夠阻斷其與CD47的結合, 增強髓系細胞依賴的腫瘤殺傷功能, 激活中性粒細胞和巨噬細胞, 抑制腫瘤生長[57]。
挑戰與展望
免疫治療策略對于少數晚期高級別腫瘤患者有著積極的治療效應和潛在的治愈可能, 而在多數情況下, TME會通過代償反饋機制, 動態進化, 阻滯免疫治療效應, 產生耐藥性抵抗, 甚至發生腫瘤進展。鑒于腫瘤免疫微環境的多層次和復雜性, 使用靶向TME中分子或信號通路的免疫治療仍存在較大提升空間。目前阻礙免疫治療效果的原因主要為:(1)宿主免疫系統對腫瘤抗原的低應答狀態; (2)實體瘤中免疫細胞的低浸潤程度; (3)免疫抑制性TME的形成[60]。現階段已開發多種靶向TME的免疫治療藥物, 但由于多元化的免疫抑制性信號共同作用, 使單一靶向性的治療方案難以發揮長效作用, 且不同種類腫瘤或處于不同進展階段的TME異質性較大, 這些都限制了腫瘤免疫治療策略應用的精準性和有效性。
針對目前腫瘤免疫治療策略存在的局限, 可能通過以下方面加以改善:(1)篩選針對不同免疫治療策略效應敏感的標志物。合理的生物標志物能夠對患者分層, 預估其對特定免疫療法的有效性, 以及在治療過程中進行動態監測, 及時通過聯合靶向等方式調整治療方案。(2)設計多元聯合靶向的免疫治療策略。通過傳統腫瘤治療方式如放療和化療與免疫治療組合, 或同時應用多種免疫治療策略, 探索能夠加強殺滅腫瘤綜合效應的組合方式, 減少治療性抵抗的發生, 并提高免疫治療敏感性。(3)開發新型綜合性免疫激活策略。通過改造溶瘤病毒等免疫激活載體, 影響局部TME的免疫狀態, 促進炎性免疫微環境形成, 并借助自身免疫潛力殺滅腫瘤, 減少特定靶向治療可能發生的不良反應[61-62]。因此仍需研究TME在免疫治療進程中的互動機制, 并通過臨床試驗探索安全有效的免疫激活治療策略, 為進一步開發針對TME的潛在靶點提供依據。
結語
TME的免疫狀態是影響腫瘤進展的重要因素。在特定免疫細胞或分子作用下, TME呈現差異化的免疫激活程度, 而采用靶向TME的免疫治療策略, 針對非腫瘤細胞和成分進行干預, 能夠將免疫應答從促瘤型轉化為抑瘤型, 同時與抗腫瘤及針對多靶點的免疫治療藥物聯合應用, 可避免適應性耐藥, 并顯著改善腫瘤的預后和生存。因此深入研究TME中免疫應答的反應機制, 能夠解釋腫瘤免疫治療中的抵抗現象, 并對開發新的TME靶點有提示意義。
參考文獻
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- Johanna A Joyce, et al. Chloe E Atreya, et al. Probing the Tumor Micro(b)environment. Science. 2020 May 29;368(6494):938-939.
