小药谈TME:骨髓来源抑制细胞

2021
03/07

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   前言   

骨髓来源抑制细胞(MDSCs)是病理激活的中性粒细胞和单核细胞,具有较强的免疫抑制活性。它们与许多病理条件下的免疫反应调节有关,与癌症的不良临床结果密切相关。MDSCs与典型的中性粒细胞和单核细胞之间有着重要的区别,最新的研究描述了MDSCs在基因组和代谢方面的一些新特征,这些特征塑造了MDSC的具体功能,并有助于基于这些细胞的靶向治疗,特别是在癌症和自身免疫性疾病中。前者MDSCs的功能使疾病恶化,后者MDSCs可以限制疾病的严重程度。

 
MDSCs的定义与基本特征

在人类和小鼠中有两大类MDSCs,根据其来源分别从粒细胞系和单核细胞系进行分类,即粒细胞/多形核细胞MDSCs(PMN-MDSCs)和单核细胞MDSCs(M-MDSCs)。此外,一小群具有骨髓间充质干细胞特征的髓系前体细胞在人类中被发现,并被命名为“早期骨髓间充质干细胞”。这组细胞具有强大的免疫抑制功能,主要由髓系祖细胞和前体细胞组成,占MDSCs总数的不到5%。

免疫激活的病理状态是MDSCs出现的共同特征,典型的骨髓细胞激活是对病原体和组织损伤的反应,主要通过危险相关分子模式(DAMPs)、病原体相关分子模式(PAMPs)和Toll样受体(TLR)激活来驱动。相比之下,病理性激活是由于在癌症、慢性感染或炎症以及自身免疫性疾病的环境中,由于髓样生长因子和炎症信号的长期存在而引起的对髓系细胞的持续刺激。此类激活信号的实例包括细胞因子和各种生长因子,例如GM-CSF、M-CSF、IL-6、IL-1β、腺苷信号或内质网(ER)应激信号。 

                          

近年来,凝集素型氧化低密度脂蛋白受体1(LOX1)已成为人PMN-MDSCs的特异性标记物,可用于鉴别肿瘤患者血液和肿瘤中的这些细胞。此外,通过检测MHCⅡ的表达,可以将M-MDSCs与外周血单核细胞区分开来,此外,最近发现的新分子可能有助于进一步描述这些细胞群。

MDSCs的主要特征是其抑制免疫应答的能力,包括由T细胞、B细胞和自然杀伤(NK)细胞介导的免疫应答。M-MDSCs和PMN-MDSCs具有抑制免疫应答的关键生化特性,包括信号转导和转录激活因子3(STAT3)表达上调、内质网应激诱导、精氨酸酶1表达和S100A8/A9的表达。

它们还具有独特的特征,可能影响它们调节免疫反应不同方面的能力。例如,PMN-MDSCs优先使用活性氧(ROS)、过氧亚硝酸盐、精氨酸酶1和前列腺素E2(PGE2)来介导免疫抑制,而M-MDSCs使用一氧化氮(NO)、免疫抑制细胞因子(如IL-10和TGF-β)以及免疫调节分子(如PD-L1)的表达。

肿瘤MDSCs的基因转录谱特征  

PMN-MDSCs与中性粒细胞相比具有不同的转录谱特征。具体而言,PMN-MDSCs表现出与细胞周期、自噬、G蛋白信号和CREB通路相关基因的高表达。中性粒细胞通过CD40、IL-1、IL-6、TLR和TNF途径以及淋巴毒素-β受体信号显示出与NF-κB信号相关基因的高表达。

M-MDSCs和单核细胞也具有不同的转录谱特征。M-MDSCs显示与中性粒细胞功能相关的几个基因上调,包括CXC趋化因子受体1(CXCR1)。PMN-MDSCs和M-MDSCs的基因特征之间存在大量重叠,表明中性粒细胞和单核细胞都可以获得类似的免疫抑制特征。

CD84被鉴定为肿瘤中MDSCs的标志物。CD84在从原发性肿瘤和脾脏分离的PMN-MDSCs中高水平表达,CD84高表达的MDSCs表现出T细胞抑制能力和活性氧生成增加。总之,MDSCs具有独特的转录谱,其特征是促炎和免疫抑制途径的表达。区分MDSCs与传统单核细胞和中性粒细胞对于设计针对MDSCs的有效疗法至关重要。

肿瘤MDSCs的代谢特征  

代谢重编程是肿瘤的标志之一。肿瘤细胞对其代谢进行重编程以维持高能量需求,从而支持快速增殖、存活和分化。肿瘤微环境中营养物质和氧气的竞争迫使免疫细胞适应其代谢。MDSCs通过选择最有效的代谢途径来感知环境并作出反应,以维持其抑制和促肿瘤功能。             

              

MDSCs的脂质代谢

目前有充分的证据表明,MDSCs的脂质代谢发生改变,这在其分化和功能中起着关键作用。

由清道夫受体CD36上调介导的脂质摄取有利于从糖酵解转变为脂肪酸氧化(FAO),作为肿瘤相关MDSC的主要能量来源。CD36缺失或FAO抑制影响MDSCs的抑制功能,延缓肿瘤生长,提高化疗和免疫治疗的疗效。

近年来,脂肪酸转运蛋白2(FATP2)被认为是PMN-MDSCs抑制功能的调节因子。FATP2负责花生四烯酸的摄取和随后PGE2的合成。FATP2的抑制消除了PMN-MDSCs的抑制功能,提高了肿瘤免疫治疗的疗效。

MDSCs的葡萄糖代谢

MDSCs在分化和激活过程中表现出糖酵解、戊糖磷酸途径和三羧酸循环的增加。糖酵解途径的上调通过糖酵解中间产物磷酸烯醇式丙酮酸的抗氧化活性阻止ROS介导的凋亡,从而保护MDSCs免于凋亡并促进其存活。

在缺氧条件下,缺氧诱导因子1α(HIF1α)的激活诱导MDSC从氧化磷酸化向糖酵解的转变。HIF1α是肿瘤微环境中MDSCs分化和功能的关键调节因子。HIF1α通过涉及CD45酪氨酸磷酸酶活性和STAT3活性下调的机制促进M-MDSCs向肿瘤相关巨噬细胞的分化。

MDSCs的氨基酸代谢

MDSCs利用从微环境中去除精氨酸、色氨酸和半胱氨酸等必需代谢产物来调节T细胞功能。精氨酸通过精氨酸酶1的上调而减少是MDSCs的T细胞抑制机制之一。通过NOS2的精氨酸分解代谢是MDSCs的另一个关键抑制机制,其释放的过氧亚硝酸盐可诱导T细胞凋亡以及抑制T细胞功能和迁移。IDO依赖的色氨酸代谢是MDSCs抑制免疫应答的另一个途径。MDSCs通过诱导IDO降低外部环境中色氨酸的水平,IDO将这种必需氨基酸分解为N-甲酰基犬尿氨酸。

 
MDSCs在肿瘤中的靶向治疗应用

虽然骨髓间充质干细胞在组织中的寿命很短,但它们不断地被招募到慢性炎症部位,使它们能够在这些部位产生持久的作用。然而,由于其在组织中的寿命较短,这些细胞在组织中的病理激活状态很难逆转。因此,有效的治疗可以通过阻断MDSCs的分化,抑制其向受影响组织的迁移,或者通过控制组织微环境来靶向治疗。

                            

影响MDSCs的募集

中性粒细胞和PMN-MDSCs向肿瘤的迁移主要由趋化因子受体CXCR2驱动。通过基因敲除CXCR2或用小分子CXCR2抑制剂阻断PMN-MDSC向肿瘤的募集,可改善转移性肉瘤的预后,并增强已建立肿瘤中抗PD-1治疗的疗效。

清除MDSCs

MDSCs是一种短命的细胞,不断被替换并释放到血液循环中。高更新率细胞的耗竭可能是一个挑战,但有几种方法提供了令人鼓舞的结果。化疗药物,如5-氟尿嘧啶、卡铂、紫杉醇或吉西他滨,可以减少循环中的MDSCs的数量,促进更强大的抗肿瘤免疫反应,但这些药物对MDSCs没有特异性,影响所有快速增殖的细胞,包括抗肿瘤T细胞。

一种更精细的方法是使用抗体识别CD33,一种在人类髓系细胞表面表达的标记物。在II期临床试验中,与毒素(ozogamicin)偶联的单克隆抗CD33抗体gemtuzumab)显示出良好的去除表达CD33的MDSCs的效果。

CD33的识别已被用于血液恶性肿瘤中的CD16和IL-15三特异性杀伤受体(TriKE)。该分子(GTB-3550)交联NK细胞表达的CD33和CD16,诱导ADCC和NK细胞的细胞毒性和增殖。尽管GTB-3550已被证明可降低MDSC对TIGIT介导的NK细胞的抑制作用,但依赖ADCC的MDSCs缺失可能是另一种可能的作用机制。

内质网应激的激活是MDSCs的特征,这使它们区别于单核细胞和中性粒细胞。内质网应激途径的激活诱导MDSC上DR5(一种TRAIL受体)的上调,靶向这个分子可以快速诱导MDSC凋亡。一种激动性DR5抗体DS-8273a也在一期临床试验中进行了测试。这种治疗具有良好的耐受性,并且在不同类型的晚期癌症患者中诱导了MDSCs的选择性减少,这与无进展生存期的增加有关。

肝X受体(LXR)对MDSC的存活有显著影响。LXR激活能够通过载脂蛋白E(APOE)信号转导诱导荷瘤小鼠MDSCs的凋亡,从而显著减少MDSC的数量。临床前肿瘤模型对两种LXR激动剂反应良好:GW3956和RGX-104。RGX-104目前正在进行一期临床试验,初步结果显示,该药能促进T细胞活化,并能有效降低循环中PMN-MDSC和M-MDSC的数量。

MDSCs的重编程

阻断MDSC的免疫抑制功能可提高抗肿瘤免疫应答。早期研究表明,全反式维甲酸ATRA)促进小鼠和人MDSCs向巨噬细胞和树突状细胞的分化,并杀死PMN-MDSCs。在乳腺癌的临床前模型中,通过ATRA治疗去除MDSCs已被证明可以提高VEGFR2抑制剂作为抗血管生成治疗的疗效。

用FATP2抑制剂lipofermata治疗小鼠可显著减少肿瘤生长。此外,它与抗CTLA4抗体治疗有协同作用。由于PGE2生物合成被认为是FATP2的下游靶点,这些结果与PGE2在癌症中作为T细胞功能的有效抑制剂的作用是一致的。

最近的研究表明,靶向内质网应激反应的PERK通路可将肿瘤相关的M-MDSCs重新编程为具有抗肿瘤功能的细胞。在临床前模型中,PERK的抑制增强了检查点抑制剂的疗效。另一种方法是靶向TOLLIP,TOLLIP是一种在骨髓细胞中表达的信号接合器分子,参与PMN-MDSCs获得免疫抑制功能。尽管TOLLIP阻断剂还没有在研究中进行测试,这些发现使TOLLIP成为癌症免疫治疗的一个有趣的靶点。

 
MDSCs在自身免疫疾病中的靶向治疗应用

在早期的研究中,MDSCs通过抑制TH2型免疫反应显示出对哮喘和气道炎症的保护作用,TH2型免疫反应是气道炎症的主要原因之一。将MDSCs过继转移到患有过敏性气道炎症的小鼠身上可降低疾病的严重程度。此外,MDSCs在干燥综合征和关节炎的小鼠模型中也显示出保护作用。

MDSCs也与炎症性肠病的发生或进展有关。在结肠炎症的小鼠模型中,组蛋白甲基转移酶抑制剂的使用通过诱导免疫抑制的MDSCs在结肠中积聚来降低疾病的严重性。此外,mTOR抑制剂和醋酸格拉替拉霉素(一种被批准用于治疗多发性硬化症的化合物)通过增强MDSCs的抑制功能在治疗小鼠结肠炎模型中显示出疗效。

 
展望

新的证据表明,MDSCs在许多病理环境中对形成免疫应答起着关键作用。尽管我们已经了解了这些细胞的关键基因转录谱和代谢特征,但是在临床环境中鉴定和分析MDSCs的精确基因组特征仍有待建立。一个主要的挑战将是确定PMN-MDSCs是否可以细分为具有特定功能特征的较小群体,或者它们是否代表不同于经典中性粒细胞的离散单一群体;M-MDSCs也是如此。

最后,最具挑战的仍然是如何最好地有选择地针对MDSCs。或许在未来的几年里,我们通过强有力的努力,可能会看到靶向这些细胞是否能改善不同疾病环境下的临床结果。

参考文献:

1.

Myeloid-derived suppressor cells in the era of increasing myeloid cell diversity. Nat Rev Immunol2021 Feb 1;1-14.


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关键词:
中性粒细胞,抑制剂,骨髓,细胞,特征

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