【论肿道麻】驱动癌细胞免疫调节功能的机制

肿瘤微环境中免疫细胞的空间分布、组成和激活状态等方面显示出惊人的变化，这影响了肿瘤的进展及其对免疫治疗的反应。阐明肿瘤微环境中控制免疫细胞多样性和功能的机制将有利于开发个体化的免疫调节策略。癌细胞的旁分泌和并行通信机制是决定免疫微环境中肿瘤异质性的关键因素。2023年1月荷兰癌症研究所Karin E. de Visser等研究者在《Nature Reviews Cancer》发表了一篇题为《Mechanisms driving the immunoregulatory function of cancer cells》的综述，一方面总结了癌细胞内在特征，包括（表观）遗传畸变、信号通路失调和代谢改变如何在协调免疫景观的组成和功能状态中发挥关键作用，并改善免疫治疗效果；另一方面还讨论了靶向癌细胞内在参数或其下游免疫调节途径如何操纵肿瘤免疫环境，展望了抗肿瘤免疫的可行策略，现介绍如下：

背景  

肿瘤具有复杂的生态系统，其中癌细胞与多种宿主细胞之间的相互作用会影响疾病进展和治疗反应。除了癌细胞，免疫细胞是实体瘤中最常见和最复杂的参与者，其活性范围从抗肿瘤到促肿瘤。在肿瘤进展过程中，癌细胞利用多种特征来逃避免疫攻击，如下调抗原提呈机制或诱导抑制性免疫检查点分子，而在癌症的发展和转移扩散过程中，免疫压力塑造了克隆进化。同时，癌细胞劫持免疫细胞，如中性粒细胞、巨噬细胞和调节性T细胞(Treg细胞)，以产生免疫抑制性炎症肿瘤微环境(TME)。而这反过来促进免疫逃逸，促进血管和细胞外基质的重塑，导致癌症进展及耐药性。因此，免疫反应异常被认为是癌症的标志并为癌症治疗提供有意义的靶点，免疫检查点阻断（ICB）的临床成功最能说明这一点。

在癌细胞中，许多细胞过程被改变。这些癌细胞的内在特征通常是由遗传和表观遗传畸变、信号失调或代谢改变所驱动的，并为癌细胞的生存提供了优势。越来越多的实验证据表明，癌细胞固有程序也通过分泌组、细胞与细胞的直接接触、细胞外囊泡的形成和运输或营养物质的可用性影响与免疫系统的通信。癌细胞的内在特征相互交织，共同塑造了复杂的肿瘤微环境。在本综述中，作者讨论了癌细胞内在机制如何协调肿瘤免疫微环境以及这些机制如何导致肿瘤之间免疫微环境的多样性，从而影响免疫逃逸和免疫治疗的反应。

图1. 癌细胞内在参数如何调节免疫细胞    

遗传畸变  

癌细胞基因组通常已获得了各种畸变，如点突变、DNA片段的插入或删除、基因组扩增和重排。其中一些改变充当“驱动因素”在肿瘤的发生发展中发挥作用。在本文中，作者选取了多种实体瘤类型所共有的高发的遗传畸变，并且这些畸变已被临床证据证实会影响免疫景观及其对免疫治疗的反应。图2展示了肿瘤细胞固有的癌基因、抑癌基因或DNA损伤修复基因的遗传异常对肿瘤免疫格局的调节有重要作用。

图2. 癌症基因型-免疫表型关系

癌基因  

肿瘤细胞中的致癌途径可以通过多种机制调节局部和全身免疫景观。比如，导致RAS蛋白致癌激活的错义突变与细胞因子、趋化因子、生长因子和免疫检查点分子的表达改变以及促进肿瘤的炎症和免疫逃避有关。多种研究表明，致癌RAS通过不同的免疫调节机制诱导多种癌症类型的肿瘤促进炎症和免疫抑制，这可能为这些肿瘤提供新的治疗机会。另一个具有强免疫调节特性的癌基因是MYC。致癌MYC可通过直接结合其促进因子来增强癌细胞上的CD47和程序性细胞死亡配体1（PDL1）表达，从而调节癌症免疫景观；也可通过刺激促炎细胞因子IL-1β的表达和释放，促进血管生成。而肿瘤微环境中的IL-1β分泌与多种癌症类型的全身炎症、免疫抑制、增强癌细胞增殖、迁移和转移有关，使其成为一个有趣的治疗靶点。

现有研究显示这些癌基因在指导肿瘤免疫景观方面相互补充。例如，在KRASG12D介导的肺腺瘤小鼠模型中，激活MYC诱导的CCL9和IL-23分泌，导致PDL1巨噬细胞涌入，同时B细胞、T细胞和NK细胞丢失导致高度增殖和侵袭性肿瘤。同样，在胰腺导管腺癌的小鼠模型中，活化的MYC和KRAS-G12D的组合表达通过抑制B细胞和NK细胞的浸润来加速癌症的进展和转移。

临床前癌症模型中的基因沉默可导致肿瘤消退和TME重塑，这使得致癌MYC成为一个治疗靶点。小分子抑制剂的最新进展使得MYC成药出现前景。在基于小鼠细胞系的前列腺癌模型中，两种小分子 MYC 抑制剂（MYCi361 和 MYCi975）增强了细胞毒性 T 淋巴细胞（CTL）、NK 细胞和树突状细胞的浸润，并抑制了肿瘤生长。此外，MYC抑制可增强ICB反应。

ERBB受体酪氨酸激酶家族成员的致癌畸变，包括表皮生长因子受体（EGFR）和人表皮生长因子受体2（HER2）的改变，也被证明可以调节免疫逃逸。泛癌基因表达分析显示，EGFR突变与反映多种癌症类型抗肿瘤免疫应答的基因标记之间存在负相关。在EGFR突变的人肺癌样本中，细胞毒性T细胞和T细胞受体克隆性降低，细胞外腺苷和Treg细胞数量增加。EGFR还可通过JUN氨基端激酶（JNK）-JUN激活CCL22来促进NSCLC中Treg细胞的浸润，同时通过IRF1介导的CXCL10下调阻碍CD8+ T细胞的募集。相关的家族成员HER2，已证明其扩增通过下调乳腺癌和食管鳞状细胞癌组织和细胞系中的主要组织相容性复合物I类（MHC-I）导致免疫逃逸。此外，HER2扩增已被证明通过募集AKT1和随后的TANK结合激酶1（TBK1）磷酸化来抑制cGAS-STING途径，从而阻碍抗肿瘤免疫，损害干扰素反应。直接靶向HER2的单克隆抗体联合化疗显著改善了HER2癌症患者的临床结局。

肿瘤抑制基因  

TP53是癌症中最常见的肿瘤抑制基因。p53除了是细胞周期进程、DNA修复、衰老和凋亡的关键调节因子外，还具有非细胞自主功能，如改变分泌组。乳腺癌细胞中Trp53的缺失增强了WNT配体的分泌，从而刺激了TME中肿瘤相关巨噬细胞中IL-1β的产生。IL-1β反过来增加免疫抑制中性粒细胞的全身积累，从而促进转移。阻断WNT分泌可抑制Trp53缺陷肿瘤小鼠的中性粒细胞扩张和肺转移。此外，在其他实验模型中，Trp53的缺失被证明可通过CXCL17介导的信号通路或者通过增加趋化因子(如CCL3、CCL11、CXCL5和M-CSF)的产生招募免疫抑制巨噬细胞和Treg细胞来促进肿瘤进展。总之，多种研究表明p53的缺失通过下游免疫调节机制驱动免疫抑制，而这些机制因癌症类型而异。

除了野生型p53的肿瘤抑制功能丧失外，TP53的突变还可以赋予功能活性，包括获得不同的免疫调节特性，从而对肿瘤进展产生功能影响。总结在不同癌症类型中进行的体外、体内实验，得出以下结论：癌细胞中突变的TP53或TP53缺失通过各种机制影响先天性和适应性免疫细胞的募集，允许免疫逃逸并促进癌症进展和转移，同时也为ICB或过继细胞治疗提供了机会，但仍需要进一步的研究来充分了解不同癌症（亚）类型中不同p53改变的下游免疫调节机制。

在多种实体瘤中，除了p53，还发现了编码细胞内丝氨酸/苏氨酸激酶LKB1的肿瘤抑制因子丝氨酸/苏氨酸激酶11 (STK11)的功能缺失突变。在KRAS突变小鼠肺癌模型中，STK11/LKB1失活增强了促炎细胞因子和趋化因子（如IL-6、CXCL7和G-CSF）的表达，导致免疫抑制性中性粒细胞积累和T细胞浸润受损。研究显示与STK11/LKB1正常肿瘤（包括那些p53改变的肿瘤）相比，STK1/LKB53的共突变与ICB的较差临床结局相关。

癌症中经常改变的另一种肿瘤抑制因子是PTEN，一种PI3K信号通路的负调控因子，除了调节各种细胞内过程外，癌细胞中的PTEN信号传导还改变TME中的细胞因子分泌和免疫反应。多项实验研究表明PTEN缺失有助于免疫抑制TME，其中确切的下游免疫调节机制似乎因肿瘤类型或同时发生的遗传畸变而异。基于这些知识和临床前发现，ICB与PI3K抑制剂的组合可能是PTEN缺陷肿瘤的一种治疗策略。

除了p53，STK11和PTEN之外，据报道，其他肿瘤抑制因子的功能丧失也会改变免疫环境，促进免疫逃逸和/或影响免疫治疗反应，包括RB1、TET2和CDKN2A。

DNA损伤机制中的遗传畸变  

DNA损伤反应通路的畸变和功能失调的DNA修复增强了突变负荷、染色体不稳定性和细胞质核酸的积累。错配修复(MMR)系统检测和纠正微卫星中的点突变、小插入和删除。因此，癌症中MMR缺乏的特点是高突变负担和微卫星不稳定性(MSI)。MSI阳性肿瘤被淋巴细胞高度浸润，这可能是MSI阳性肿瘤逃避免疫监视以及对ICB反应良好的原因。MMR缺陷肿瘤中高水平的突变相关新抗原被认为是提高ICB反应率的主要因素。此外，一些研究表明，MMR缺陷肿瘤的免疫原性增加很可能是由于支持T细胞刺激的增强cGAS-STING途径激活和新抗原表达升高的组合，增加了活化T细胞识别肿瘤细胞的可能性。这一过程可能被抑制性免疫检查点分子表达的增加所抵消。

参与修复DNA双链断裂的同源重组途径是癌症中常见的DNA损伤反应途径。同源重组基因（如BRCA1或BRCA2）的丢失或突变会严重影响基因组完整性，导致突变负担增加、染色体畸变和双链断裂的积累。双链DNA可以在细胞质中积累，并在那里激发cGAS-STING介导的干扰素反应，导致同源重组缺陷癌细胞的转录重组和细胞自主炎症激活，但每种突变在各自的TME的组成中显示出不同的特征。

表观遗传修饰  

除了遗传改变，表观遗传变化是癌细胞的共同特征，在细胞核结构和基因转录中起着至关重要的作用。癌症表观基因组会受到各种改变的影响，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA（包括microRNA）的失调。越来越多的证据表明，癌细胞中发生的表观遗传变化也会影响与免疫系统的串扰（图3）。

图3. 癌细胞-免疫细胞相互作用的内在表观遗传调控  

DNA甲基化  

DNA甲基化通过招募参与基因抑制的蛋白质或通过抑制转录因子与DNA的结合来调节基因表达。启动子区CpG岛的甲基化导致转录抑制，而低甲基化或去甲基化则导致基因表达增强。分子数据的泛癌分析显示，DNA甲基化异常是癌细胞-免疫细胞串扰的重要决定因素。整体甲基化缺失与肿瘤的高突变、复制量增加、免疫逃避和免疫治疗耐药性相关。在实验中，甲基化诱导的免疫检查点抑制和内源性干扰素反应限制了免疫细胞识别和ICB反应。这种免疫检查点基因和配体的（去）甲基化成为多种癌症(亚)类型中免疫行为的重要决定因素。

异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）和IDH2突变，导致α-酮戊二酸转化为癌代谢物（R）-2-羟基戊二酸，抑制DNA和组蛋白去甲基化酶，使表观遗传重编程。IDH1和IDH2的突变经常在胶质瘤（约80%）和其他癌症类型（如胆管癌和软骨肉瘤）中观察到。与野生型IDH肿瘤相比，IDH突变的人胶质瘤与肿瘤浸润淋巴细胞流入和PDL1表达显着降低有关。这些样本中PDL1的低表达与启动子甲基化增强有关。

组蛋白甲基化  

组蛋白修饰影响染色质结构、转录因子压缩与结合，从而调控基因表达和细胞过程，包括凋亡、细胞周期阻滞、DNA损伤修复、自噬、代谢和免疫应答。最近，多组学分析描述了癌细胞中的DNA甲基化和组蛋白甲基化是抑制TNBC患者抗肿瘤免疫的机制。与其他TNBC亚群相比，TNBC间充质亚群的肿瘤表现出更高的突变负担，伴有DNA修复基因和SWI/SNF染色质重塑复合物亚基的缺失，并且在很大程度上没有浸润的免疫细胞。有趣的是，这些间充质TNBC肿瘤显示出整体DNA低甲基化以及DNA甲基化的不同区域和组蛋白H3赖氨酸27三甲基化(H3K27me3)，导致IFNG、免疫检查点基因、编码MHC介导的抗原呈递成分的基因和Zeste同源物增强子2 (EZH2)基因靶点的表达降低。

组蛋白乙酰化  

组蛋白乙酰化是一个可逆的过程，涉及组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）的催化活性。HDACs稳定核小体DNA-组蛋白相互作用，导致转录沉默，而HATs介导转录激活。组蛋白乙酰化已被证明通过多种机制影响癌症免疫。例如，高水平的HAT1与胰腺癌中PDL1的生存率降低和表达增强有关。胰腺癌细胞中的HAT1敲低通过降低PDL1表达提高了ICB的功效。

细胞内信号通路  

癌细胞的一个关键特征是异常信号传导，这是由编码或非编码DNA区域的遗传或表观遗传改变以及生长因子和代谢线索等外部信号驱动的。本文作者选取了WNT-β-连环蛋白，TGFβ，NF-ĸB和HIFs信号通路来举例说明致癌信号传导如何预防抗肿瘤免疫，以及其如何为改进针对单个肿瘤信号传导特征的免疫疗法提供新的机会，也可以通过对癌细胞中致癌信号传导如何发挥免疫调节功能的机制理解将肿瘤支持性炎性TMEs逆转为有利于抗肿瘤免疫的TMEs。

图4. 癌细胞内在信号传导决定了肿瘤免疫微环境

WNT-β-连环蛋白  

多项研究表明，在多种人类实体瘤类型中，激活的WNT-β-连环蛋白信号传导与免疫排斥之间存在很强的相关性。在机制上，肿瘤内在的WNT-β-连环蛋白信号传导被证明可诱导转录抑制因子ATF3的表达，ATF3可抑制CCL4或CCL5的分泌和随后招募CD103+树突状细胞和T细胞启动。WNT-β-连环蛋白信号传导激活的机制多种多样，包括WNT通路相关基因（例如APC和RNF43）的基因突变，基因融合、配体、受体和细胞内介质的上调，以及失调的非编码RNA表达。多项研究说明了遗传学，表观遗传学和由此产生的信号变化之间的相互作用如何决定癌细胞的免疫调节能力。

TGFβ  

TGFβ信号通路同时具有肿瘤抑制和促进的功能，是免疫调节的关键因素。在癌症发展的早期阶段，TGFβ可以抑制细胞增殖并诱导细胞凋亡。在癌症晚期，TGFβ信号传导促进EMT、侵袭和转移。此外，TGFβ信号通过抑制癌症进展过程中的先天性和适应性免疫系统来介导免疫逃逸。

NF-κB  

NF-κB信号传导在大多数实体瘤中具有组成性活性，在炎症相关肿瘤的发生、进展、转移、治疗抵抗和免疫抑制中起核心作用。多种细胞外刺激和致癌信号通路的复杂网络调节癌细胞内在 NF-κB 活性。同时，NF-κB调节细胞因子、生长因子、粘附分子和转录因子的转录，以维持炎症性TME。

HIF  

多数实体瘤包含缺氧区域，这是由于细胞快速增殖导致耗氧增加和肿瘤血管形成不足导致氧气供应减少。细胞对低氧水平的反应是HIF的稳定和激活。除了协调代谢开关，使肿瘤细胞在没有氧气的情况下存活外，HIF转录因子还与免疫逃逸有关。HIF1α可增强小鼠和人类癌细胞系中的PDL1表达；抑制了CCL2和CCL5的分泌以及CD8 T细胞和NK细胞的肿瘤浸润；HIF2α可通过趋化因子CXCL1的转录调节诱导肿瘤促进中性粒细胞的募集；上述描述了缺氧诱导的癌细胞中的HIF信号传导如何影响与免疫细胞的串扰，但缺氧也可直接影响免疫细胞功能，这为癌细胞-免疫细胞串扰增加了额外的复杂性。

新陈代谢改变  

在肿瘤的发展和进展过程中，癌细胞及其共同进化的TME持续暴露在恶劣的条件和压力下，为了生存和维持生长，细胞适应和代谢重编程是必需的。图5展示了癌细胞的代谢重编码对免疫行为的影响。然而，控制癌细胞和免疫细胞代谢重编程的确切信号和机制在很大程度上仍然难以捉摸。细胞内在机制和细胞外在营养竞争都与代谢改变有关，但TME中不同细胞类型之间的代谢物串扰的程度仍需在未来进一步探索。

图5. 癌细胞的代谢重编程会影响免疫行为

肿瘤细胞的特征消耗大量葡萄糖，这与T细胞浸润不良有关。高葡萄糖消耗导致乳酸的产生和分泌到肿瘤微环境中，乳酸在肿瘤微环境中以免疫抑制方式起作用，降低自然杀伤（NK）细胞中的细胞溶解活性并增强增殖、程序性细胞死亡蛋白1（PD1） 表达和调节性T细胞（T注册细胞）。此外，乳酸会增加肿瘤和脾脏中髓源性抑制细胞（MDSC）的频率，并在肿瘤相关巨噬细胞中诱导“M2样”极化。癌细胞中的谷氨酰胺消耗减少CD8+T细胞活化和浸润并通过增加粒细胞集落刺激因子 （G-CSF）分泌来增强 MDSCs募集。上述表明，所使用的营养素类型及其可用性是不断发展的TME中癌细胞与免疫细胞串扰的重要调节因子。

结论和展望  

本综述中，作者概述了癌细胞的内在特征如何使调节免疫系统的组成和功能，以及这如何影响癌症的发生、进展和治疗反应。近年来，癌细胞免疫细胞串扰的相关知识不断更新，技术不断进步，包括单细胞多组学和空间技术、基于人工智能的系统生物学方法、小鼠体细胞编辑技术等，这要求多学科合作共同推动该领域不断前行。在肿瘤组织或患者液态活检样本中识别的癌细胞内在特征可以作为指导免疫疗法的生物标记物，该方法已在高MSI或MMR缺陷的转移结直肠癌患者中取得成功。另外，癌细胞特征可以作为靶向目标，例如，通过靶向PTEN缺陷肿瘤的PI3K信号转导，将PI3K抑制剂与ICB结合目前正在进行I/II期临床试验，其将为以下问题提供解答：根据基因对患者分层是否可行；靶向PI3K信号通路与免疫疗法结合是否改善预后。然而，大部分癌细胞的生物特征对免疫细胞本身也发挥重要作用，因此靶向有可能直接影响免疫细胞功能，并且癌细胞的特征大多数目前难以靶向。许多研究尝试靶向下游因素及免疫调节途径。但下游靶向效果通常因癌细胞类型、部位和遗传背景不同而异。肿瘤异质性与其不断进化是另一重要挑战。此外，由于营养物质、血供等因素影响不同肿瘤特征随时间推移而变化。在转移扩散条件下情况往往更加复杂，全面评估肿瘤异质性及时空特征困难重重。

展望未来，个体化免疫干预策略将需要整合全面的多组学肿瘤表征、免疫分析、液体活检样本的动态监测以评估基于血液的生物标志物，以及计算数据分析和转化，同时进行临床相关的体外和体内模型的机制研究。作者认为，关于癌细胞内在和癌细胞外在特征的知识体系共同决定了局部和全身免疫景观，将指导临床决策，并为患者提供个体化的新治疗方法开辟途径。本文由于篇幅影响仅介绍了诸多免疫调节因素的一部分，尽管困难重重，体细胞小鼠建模、人工智能的应用以及越来越多的免疫治疗相关临床试验正在不断取得新进展，新技术及多学科合作无疑将加速该领域的飞速发展。

编译：祁晓悦；曹书梅 

 审校：张军；缪长虹   

参考文献：van Weverwijk A, de Visser KE. Mechanisms driving the immunoregulatory function of cancer cells. Nat Rev Cancer. 2023;23(4):193-215. doi:10.1038/s41568-022-00544-4    

声明：古麻今醉公众号为舒医汇旗下，古麻今醉公众号所发表内容之知识产权为舒医汇及主办方、原作者等相关权利人所有。未经许可，禁止进行转载、摘编、复制、裁切、录制等。经许可授权使用，亦须注明来源。欢迎转发、分享。  

打赏