肿瘤微环境与免疫治疗耐药的关系及应对

2020
11/19

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衡道病理
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文章来源:肿瘤医学论坛,整理自:现代肿瘤医学2020 年11 月第 28 卷第 22 期。

作者:赵 喆,白 桦,王志杰,段建春,王 洁。

单位:国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院内科。


恶性肿瘤是威胁人类生命及健康的主要难题之一。既往针对肿瘤的治疗多集中在肿瘤细胞本身,近年兴起的免疫治疗则主要通过调节人体自身的免疫系统来完成抗肿瘤作用,为恶性肿瘤的治疗带来了革命性的进展。根据不同的作用机制将肿瘤免疫治疗分为六类,包括针对细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4(CTLA-4)、程序性细胞死亡蛋白-1(PD-1)及其配体(PD-L1)等的免疫检查点抑制剂治疗;嵌合抗原受体T细胞免疫疗法;肿瘤疫苗;溶瘤病毒;靶向CD3的双特异性抗体blinatummoab;免疫激动剂等。但是,目前在临床实践中,免疫治疗仅能给20%~30%的患者带来持久的生存获益,大部分患者会面临免疫治疗耐药的问题。因此,免疫治疗目前面临的最大瓶颈是缺乏对优势人群的精准预测和原、继发耐药机制的系统研究与应对,导致免疫治疗的过度或不足。新近对于肿瘤及肿瘤微环境(TME)之间相互作用的深入认识,赋予了免疫治疗新的契机。研究认为免疫治疗的阳性反应通常依赖于肿瘤细胞和TME中免疫调节剂之间的动态相互作用。越来越多研究显示TME的抑制性变化及异质性特点对肿瘤的发生发展、疗效差别及耐药性有巨大影响。


TME是一个复杂的生态系统,由各种类型的细胞及它们的分泌产物(如细胞因子、趋化因子)和细胞外基质的其他非细胞成分组成,具有明显的异质性、动态性和复杂的细胞间关联。效应性免疫细胞、抑制性免疫细胞、间质成分等均在不同环节与肿瘤细胞增殖和侵袭增加、耐药性增加和抗肿瘤免疫力降低有关,所以阐明TME网络中各方面协调或抑制免疫反应的机制对逆转免疫耐药十分重要。本文通过总结TME的起源、动态性抑制性变化、异质性特点及其对免疫应答影响的研究,从TME角度寻求优化免疫治疗疗效的应对策略。


01

肿瘤微环境的形成与发展

人体正常组织周围的微环境本是机体防御肿瘤的重要屏障,能有效抑制肿瘤生长。而定植于正常组织的肿瘤细胞,可通过募集肿瘤相关成纤维细胞(CAF)、调控免疫细胞及其分泌因子、血管内皮细胞形成新生血管等方式,改变肿瘤细胞周围的微环境,形成TME。TME一般由基质成分、细胞成分和可溶性因子三部分构成。在肿瘤生长的早期,由肿瘤细胞募集和激活的免疫细胞及相关基质成分可形成抑瘤的炎性微环境,阻碍肿瘤的发展。但是随着肿瘤细胞的不断增殖和持续免疫激活反应,TME发生动态变化:免疫效应细胞出现耗竭或重塑从而无法发挥正常功能;肿瘤细胞利用免疫系统的负性调控机制形成免疫抑制状态;再加上肿瘤相关成纤维细胞的活化、免疫细胞迁移、抑制性细胞因子释放、肿瘤脉管形成等多方面因素,形成了全方位的免疫抑制性TME,可以在肿瘤的发生发展及耐药中起到促进肿瘤免疫逃逸、恶化、增加侵袭力、拮抗治疗等作用。

02

肿瘤微环境的动态变化及抑制性TME形成

2.1 基质成分在肿瘤微环境变化中的作用


正常组织中的成纤维细胞在维持组织结构框架稳定、修复组织损伤及抑制肿瘤形成等方面发挥重要的作用。在TME形成及变化过程中,正常的成纤维细胞在诸多趋化因子的刺激作用下转变为基质成分的重要组成部分CAF。Olumi等通过体内实验已表明CAF可以直接促进肿瘤的发展。此外,CAF表面特异性的成纤维细胞激活蛋白α(FAPα)可以通过促进基质重建、参与血管内皮生长因子(VEGF)等信号转导等途径增强肿瘤细胞沿纤维定向侵袭能力、参与肿瘤血管的生成等以形成肿瘤生物屏障并抑制效应T细胞的功能,进而促进肿瘤进展。


2.2 细胞成分在肿瘤微环境变化中的作用


肿瘤细胞可以通过抑制PD-1/PD-L1等信号通路、分泌白细胞介素2(IL-2)、IL-10等抑制性因子多种途径,抑制浸润免疫细胞的应答及功能,诱导免疫逃逸。另外,肿瘤细胞的代谢重构消耗了过量的糖及氨基酸,竞争性剥夺T细胞所需营养,也促进了T细胞的失能及免疫抑制。另一方面,TME中招募和扩增免疫抑制性细胞如调节性T细胞(Tregs)、肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)和骨髓来源的抑制细胞(MDSCs)也是诱导免疫抑制性TME的主要机制之一。Tregs在肿瘤组织中的浸润可以直接抑制效应T细胞的增殖,并产生IL-10、转化生长因子β(TGF-β)等抑制性细胞因子,从而限制抗肿瘤免疫反应和支持免疫逃逸,以促进肿瘤进展。TAMs可通过表达PD-L1等免疫检查点分子、产生TGF-β和IL-10等免疫抑制因子、分泌CCL17和CCL22等趋化因子及氨基酸异常代谢等多种途径诱导和维持TME的免疫抑制状态。此外TAMs还可以通过募集其表面的Fc段受体,与抗PD-1抗体竞争性结合,导致免疫耐药。MDSCs通过限制T细胞活化过程中必需的半胱氨酸、分解T细胞蛋白合成必需的精氨酸、分泌免疫抑制因子TGF-β等及表达VEGF促血管生成等多种途径,强烈抑制效应T细胞、自然杀伤细胞等活性,并刺激Tregs,从而介导免疫逃逸,导致肿瘤进展。


2.3 可溶性因子在肿瘤微环境变化中的作用


TME中大量可溶性免疫抑制因子也是肿瘤逃避免疫监视重要的机制之一。TGF-β、VEGF、趋化因子和炎性细胞因子等可溶性因子不断发生动态变化及相互作用,形成复杂变化的网络,共同诱导免疫细胞和肿瘤细胞发生功能变化,并参与诱导TME中血管生成、间质纤维化等,促进免疫抑制性TME,从而导致肿瘤恶性增殖、侵袭以及转移等生物学行为。

03

肿瘤微环境的异质性

不同肿瘤的病程发展、病理分期、治疗阶段等可导致肿瘤细胞之间存在显著的异质性。同时,基质成分和细胞成分等的异质性会进一步增加TME的复杂程度。


3.1 基质成分在肿瘤微环境中的异质性


肿瘤基质成分中CAF的异质性十分常见。在胰腺癌、食管癌等实体肿瘤基质中CAF含量较高,形成高密度细胞外基质,进而增加肿瘤组织间隙液压,阻碍药物的吸收与免疫细胞的瘤内浸润,导致不同的免疫应答。此外,基质中新生血管的形成亦在不同肿瘤甚至同种肿瘤的不同分期中凸显差异。肝癌的TME基质成分中血管系统较为丰富而胰腺癌的新生血管系统较为缺乏;早、晚期肾癌患者在新生血管的密度、血管内皮细胞大小及增值能力方面亦存在异质性。因此,针对不同肿瘤的基质成分特点选择合适的治疗策略十分重要。


3.2 细胞成分在肿瘤微环境中的异质性


不同肿瘤类型及同一类型肿瘤不同患者的细胞成分之间存在异质性,这些差异受多种因素的影响。表型方面,一项根据肿瘤周围免疫细胞浸润情况的研究,将TME中免疫细胞的浸润分为免疫炎症表型、排除表型和荒漠表型,并提出在治疗过程中根据效应免疫细胞表型选择合适治疗策略的重要性。不同肿瘤的免疫细胞浸润种类亦存在差异,虽然大部分肿瘤都以肿瘤浸润淋巴细胞为主,但巨噬细胞却在胰腺癌患者中明显浸润。此外,抑制性免疫细胞的浸润及作用在不同肿瘤亦有差别。在胃癌、乳腺癌及卵巢癌中的研究认为TME中Tregs的聚集是肿瘤免疫逃逸的机制之一。但Tregs在结直肠癌中的作用仍饱受争议,有研究认为Tregs浸润与结直肠癌的良好预后相关,而另一些研究则相反。最后,免疫细胞在肿瘤TME中的浸润情况还呈现空间及时期异质性,均需要在治疗过程综合分析。

04

肿瘤微环境相关免疫治疗耐药的应对

TME复杂的动态抑制性变化及异质性特点是肿瘤免疫疗效层次不齐的一个重要原因。为了解决这一问题,免疫治疗的下一个突破点在于针对免疫逃逸的靶点,联合配比不同治疗模式,调制出肿瘤免疫的“鸡尾酒”疗法。


4.1 调节TME中基质成分优化免疫治疗策略


CAF为主的基质细胞及新生血管系统促进肿瘤的进展、耐药等。所以如何减弱CAF作用及逆转扭曲的新生血管网等对于克服基质成分引起免疫耐药十分重要。通过靶向CAF表面FAPα特异性抗原的sibrotuzumab在I-Ⅱ期临床研究中显示可维持晚期FAPα阳性肿瘤患者疾病稳定,但单药有效率仍有待考究。此外,在小鼠体内靶向抑制参与基质纤维形成的蛋白酪氨酸激酶2,可以增加效应T细胞的浸润及药物到达,进而增强免疫疗效和延长小鼠生存期。IL-15激活的自然杀伤细胞或CD40的特异性抗体可以降解纤维蛋白并促进免疫细胞浸润,进而增强免疫疗效。再从基质中肿瘤新生血管网的冗杂造成的血供异常、低氧低pH等TME抑制状态角度出发,将抗血管生成药物与免疫治疗联合应用,也已经取得了显著成效。


4.2 靶向TME中细胞成分优化免疫治疗策略


Tregs是重要的免疫抑制性细胞,通过靶向耗竭Tregs、抑制Tregs功能或干扰TME中Tregs募集等是有效改善肿瘤免疫疗效的方法。TAMs在TME中也表现出较大异质性和多种抑制性功能,所以针对TAMs的特点阻断其抑制作用也是增强免疫疗效的策略。小鼠模型中,通过基因敲除或小分子抑制剂PF-04136309抑制CCR2以使CCL2-CCR2信号通路失活,减少TAMs转运到肿瘤部位,可以降低肿瘤的生长、转移程度并增强疗效。另外,抑制CSF-1受体的RG7155也可以减少TAMs的聚集,并增加效应T淋巴细胞在TME中的浸润。但是,TAMs和肿瘤细胞的通信涉及多个信号通路,所以单从某一条通路的研究并不能取得长久的获益,仍需要进一步确定TAMs在不同肿瘤发展阶段的组织类型中的亚群,以完善靶向TAMs的策略。此外,由MDSCs等抑制性免疫细胞分泌的吲哚胺2,3-双加氧酶1(IDO1)是TME中L-色氨酸代谢异常并影响疗效的关键靶点。IDO1抑制剂D-1-甲基色氨酸(D-1MT)联合PD-1、CTLA-4等免疫治疗在小鼠脑瘤中已表现出较好的肿瘤控制率。同时,在临床试验中IDO1抑制剂epacadostat和免疫治疗的联合使用显示出良好疗效及安全性。其他代谢酶的靶向制剂也值得进一步探究。


4.3 靶向可溶性因子优化免疫治疗策略


TME中复杂可溶性因子含量水平及功能随着病情不断发生变化,是免疫抑制性TME不可缺少的因素。机体接触肿瘤等抗原后本来处于平衡状态的Th1/Th2细胞出现漂移,伴随体内细胞因子的浓度变化。肿瘤患者常表现为由Th2分泌的IL-4、IL-5、IL-6及IL-10等升高。一项非小细胞肺癌(NSCLC)的临床试验显示晚期患者Th表型更倾向于Th2,同时其IL-4与IL-10浓度要高于早期患者,意味着IL-4与IL-10的浓度可能与肿瘤的进展有关。因此,靶向抑制性因子的研究也在不断增加,一项动物实验显示Bu-Fei Decoction可以通过抑制IL-10等以抑制体内A549和H1975肿瘤的生长。此外,IL2-Fc融合蛋白RO6874281在使用检查点抑制剂进展的头颈癌、恶性黑色素瘤患者显示一定活性。CUE-101是一种新型E7-pHLA-IL2-Fc融合蛋白,可以增加TME中效应T细胞的集合、扩增和激活,以克服免疫抑制状态,增强抗肿瘤疗效。但是可溶性因子具有复杂性及动态变化性,仍需要深入研究以优化免疫疗效。


4.4 联合治疗调节TME优化免疫治疗策略


肿瘤患者的免疫治疗与其他放疗、化疗等的联合应用在临床上也逐渐取得效果。阿霉素等化疗药物可以通过免疫原性细胞死亡途径杀死肿瘤细胞,从而激活抗肿瘤免疫应答,与免疫制剂联用可达到增效的目的;吉西他滨、紫杉醇等可以直接作用于免疫效应细胞激活免疫应答;5-氟尿嘧啶等可以干扰免疫抑制性细胞的功能以减少免疫逃逸等。中剂量间歇化疗可能是优选联合方式,值得进一步临床探究。此外,一项紫杉醇偶联D-1MT的研究显示偶联双药可以明显改善TME,增强免疫疗效。此外,放疗与免疫治疗的联合可以激发全身性免疫应答以克服免疫耐药。早期研究就显示放射线与ipilimumab联合可获得良好结果,并在机制上揭示了放疗对免疫激活的生物学证据。并有病例报道显示ipilimumab联合放疗可以使之前单纯接受CTLA-4失败的NSCLC患者获益。PACIFIC研究亦显示曾接受胸腔放疗及化疗的患者在接受PD-L1抑制剂durvalumab时,较对照组取得了明显无进展生存获益(HR0.52;95%CI:0.42~0.65,P<0.001);尤其在放疗后14天之内接受durvalumab的患者免疫治疗获益更为明显。机制研究认为放疗主要通过促进原位肿瘤抗原表达增加及新抗原的产生、增强T细胞免疫应答及产生远隔效应以激活机体的抗肿瘤免疫反应。此外,贝伐珠单抗等抗血管生成药物的联合应用也逐渐被重视,一项贝伐珠单抗与atezolizumab、紫杉醇及卡铂联合治疗NSCLC研究获得了良好疗效及安全性。靶向治疗与免疫治疗的联合也一直在探究,一项研究总结了13349份包含现有药物靶向突变位点的基因组图谱,显示8.9%可以从联合治疗中获益,但应注意联合治疗的不良反应。总体看来,联合治疗目的主要是在减小肿瘤负荷的同时增加TME中的抗原暴露和免疫效应细胞的分布等,转变免疫抑制性微环境表征以增强免疫应答,从而提高免疫疗效。


小结与展望

TME的抑制性变化及异质性是促进肿瘤进展及影响免疫疗效的重要因素。目前已开始针对TME中不同成分等进行干预,将抑制性促瘤的TME转为抑瘤型的TME,进而优化免疫疗效。但是肿瘤免疫抑制微环境是一个受多种免疫抑制信号共同调节并不断动态变化的复杂网络,所以单纯靶向某条免疫抑制信号并不能达到长久的疗效。筛选针对不同免疫治疗敏感的标志物、设计多元联合靶向的免疫治疗策略及探究新的免疫治疗靶点势必是未来需不断探究的方向。因此,继续探究TME对免疫应答的作用机制网络,探究联合治疗的新策略,对优化免疫治疗疗效有重要意义。



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关键词:
免疫治疗,TME,抑制性,异质性,耐药,肿瘤,血管

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