【论肿道麻】癌症中的胞吞作用与癌症治疗

胞吞作用是一个复杂的过程，细胞表面的蛋白质、脂质和来自细胞外环境的液体被包装、分类并内化到细胞中。胞吞作用也是药物内化进入细胞的一种机制。有多种途径的胞吞作用决定了分子的命运，从溶酶体的降解到再循环回到质膜。胞吞作用的总体速率和通过胞吞途径转运的分子时间调节也与信号传导结果错综复杂地联系在一起。在过去的十年中，胞吞作用已被证实为营养清除、免疫监视、肿瘤免疫逃避、肿瘤转移和治疗药物输送应答调节的关键调节因子。2013年5月，Blerida Banushi等人在《Nature Reviews Cancer》上发表了题为《Endocytosis in cancer and cancer therapy》的综述，总结并整合了癌症中胞吞作用的最新研究进展，并讨论了在临床中调节这些通路以改善癌症治疗的可能性。

现介绍如下：

背景

多种胞吞途径涉及癌症的发生、进展和调节。胞吞作用已经从最初的营养吸收途径演化为复杂的多种胞吞途径(图1)，在营养供应、粘附、信号传递和迁移的控制中相互关联。胞吞作用进化的过程和时间尺度还没有完全被描绘出来。吞噬作用和胞饮作用对于被内化物质的分子组成通常是非选择性的。分子通过哪一种途径进入细胞取决于被内化的分子性质。在肿瘤细胞中，每一种胞吞途径都可能失调，而不同类型肿瘤中的这些变化是异质性和复杂的，胞吞作用和外吞作用之间的平衡保证了脂质运输、质膜脂质组成和渗透势。因此，细胞胞吞途径的改变可以改变细胞功能，细胞胞吞途径的改变可以影响肿瘤的许多特征。

虽然现胞吞作用与肿瘤相关的发现已有几十年，它只是在过去的5年，操纵胞吞作用的能力才转化为临床使用。随着抗体疗法、抗体药物偶联物和靶向肿瘤的放射配体的出现，调节胞吞作用以改变药物传递的药理特性的能力已成为一个令人兴奋的新研究领域。解开这一潜在治疗方法的关键是增加对胞吞作用的各个方面的理解，包括生理状态和肿瘤环境。在这篇综述中，研究者讨论了肿瘤中的胞吞作用，这些方面的研究最近提高了我们的知识，并提出了如何操纵胞吞途径来改善当前的抗肿瘤治疗，或者通过直接抑制胞吞作用作为一种新的癌症治疗形式。

原位胞吞作用

在哺乳动物系统中，胞吞作用的途径和分子(图1)主要是在组织培养中研究的。胞吞作用机制在极化细胞和那些调节胞吐发生的复杂性增加。调节分泌发生在许多细胞中，包括胰腺细胞、黑素小体、脂肪细胞和神经元。在免疫细胞中，细胞毒性颗粒的重组需要胞吞作用。通过肠道上皮细胞的胞吞作用不仅将营养物质运送到血液中，而且还将免疫效应物如IgA和IgG分子运送到血液中。电子显微镜和生化分析以及最新的活体显微镜表明，体内的胞吞作用依赖于组织结构。

肿瘤发生

编码胞吞蛋白的基因，尽管在肿瘤细胞中很少发生突变，通过生化和基因筛查发现，各种人类肿瘤类型中已被确认发生突变。编码胞吞蛋白的基因突变也被发现作为大型系统筛选的一部分。只有编码CBL基因的失活突变已被生物学验证，CBL是一种E3泛素蛋白连接酶，可以催化细胞表面受体的泛素化，进而促进受体的胞吞作用。实验证据表明，胞吞过程的改变导致癌细胞信号分子功能输出的改变。因此，受体被引导到溶酶体的胞吞作用过程可能被认为是一种肿瘤抑制途径。紊乱的胞吞作用在一般情况下可能具有致癌潜力。

养分清除

肿瘤生长的过程需要肿瘤细胞消耗更多的营养供应。在肿瘤发生的早期阶段，细胞可以通过增加营养受体和受体介导的蛋白质清除水平来补偿其增加的代谢需求。随着肿瘤发生的继续，肿瘤微环境(TME)偏离了生理范围，随着缺氧区域的增加，通过血管生成渗漏的血管形成，神经支配被改变。虽然自噬可以让正常的细胞在有害或有毒的环境中生存，但它不能为肿瘤细胞提供足够的能量来进行快速的细胞分裂和增殖。然而与正常细胞不同的是，肿瘤细胞可以从胞外基质和TME中清除支持增殖所需的额外营养。肿瘤细胞的可塑性允许胞吞途径的适应，以获得许多种类的细胞外营养物质的持续细胞生长和肿瘤细胞增殖。

肿瘤细胞清除和抗肿瘤免疫都依赖于巨胞饮作用。因此，这一途径的共同机制需要在多种细胞类型中定义，因为在任何治疗环境中靶向胞吞作用的关键将依赖于对这一普遍存在和非选择性途径的选择性控制。

图1. 哺乳动物细胞胞吞的多种途

表型变化

肿瘤的发展和转移受到上皮间充质可塑性(EMP)的支持，表现为表型变化促进生存，细胞极性丧失，增殖和运动响应环境信号。为了发生转移，肿瘤细胞必须首先脱离原发肿瘤，并经历EMP过程，该过程是可逆的，包括上皮黏附和拆卸极性复合物，细胞器和细胞骨架的重组以建立前后极性，以及与外基质连接的改变以允许向次级器官传播(图2)。胞吞作用在调节这一过程中具有广泛的作用。

上皮细胞到间充质的可塑性

EMP过程是由转录因子激活(ZEB, SNAIL, TWIST家族成员)的变化驱动的，它调节上皮细胞和间质样状态之间的转换，也可能在肿瘤发生中发挥更广泛的作用。EMP的早期过程是细胞-细胞接触的丧失，这使得细胞获得迁移表型并逃离上皮层。细胞粘附分子和黏附连接的关键成分E-cadherin的表面水平，受到E3泛素连接酶Hakai对E-cadherin的磷酸化依赖泛素化作用的调控，该泛素化作用触发E-cadherin的胞吞噬，导致黏附连接的解体，降低细胞黏附。Hakai表达水平的增加与肿瘤淋巴结转移(TNM)阶段的增加有关，过表达与E-cadherin表达水平的降低相关，并在小鼠异种移植模型中被证明可诱导肿瘤生长、侵袭和转移。

图2.胞吞作用调节转移过程中上皮细胞间充质可塑性

细胞极性丢失

所有细胞都有一定的极性，而顶基极性是上皮和腺组织的一个特殊特征。这些上皮组织的形态发生需要广泛的组织细胞内的运输途径以及顶端和基底外侧细胞轴的形成。在癌症进展过程中，细胞极性的丧失伴随着前-后轴的形成，促进了细胞迁移，并受到局灶黏附循环、RHO GTPases和细胞骨架重排的变化以及与ECM的相互作用的调节(图2)。局灶性粘连的主要成分之一是α和β整合素异质二聚体，它们以20多种不同的形式存在。整合素等黏着灶成分以极化的方式不断内化循环至细胞前缘，驱动黏着灶动力学，需要高效的胞吞作用。

抗肿瘤免疫反应

对参与抗肿瘤免疫的免疫细胞胞吞作用的研究还没有像对肿瘤细胞胞吞作用的研究那样全面。其中一个原因是许多先进的技术，如光片荧光显微镜和超分辨率3D活细胞成像用来研究胞吞途径的细胞被开发来研究贴壁细胞。胞吞过程整合到正常上皮细胞生物学的各个方面，免疫细胞也是如此。因此在肿瘤发生过程中，免疫细胞胞吞作用会对抗肿瘤免疫产生影响，从通过免疫监视抑制肿瘤细胞，到产生一种免疫抑制TME，促进肿瘤生长。T细胞活化需要胞吞作用。T细胞受体(TCR)通过与抗原提呈细胞的接触而激活，导致其通过网格蛋白无关的途径快速内在化。在内化后，TCR立即被纳入胞吞网络，由膜组织蛋白flotillins界定，这是TCR循环的关键。这种情况再次说明了胞吞作用和胞吐作用两者之间的平衡。特异性激活和抑制受体的胞吞和转运途径也调控自然杀伤细胞(NK)的功能反应。此外，巨噬细胞需要胞吞来内化多种细胞表面受体。这些受体对巨噬细胞吸收细胞外分子的吞噬能力都很重要。抗原在B细胞内的内化和呈递也通过胞吞作用发生。因此，当考虑胞吞抑制作为一种抗肿瘤或抗转移治疗时，必须考虑免疫细胞功能对胞吞作用的依赖。

肿瘤转移

胞吞作用已被确定为肿瘤细胞转移潜能的中央调节因子(图2)。胞吞蛋白的表达水平与癌症患者的转移潜能和预后相关。越来越多的临床证据表明胞吞分子表达和预后之间的相关性，使胞吞作用的治疗靶向成为一个有吸引力的命题。

运动性和侵入性

增加细胞胞吞率的致癌变化导致细胞可塑性和运动性的增加。相反，抑制细胞胞吞作用似乎既能稳定细胞极性，又能抑制肿瘤转移。然而，这可能是在生理环境下肿瘤细胞转移开始的一种过于简化的观点，因为在体内已经注意到几种不同的转移模式，包括侵袭性肿瘤细胞簇的集体迁移，这是通过E-cadherin的表达来维持的。尽管存在这些差异，但细胞运动是依赖于胞吞作用的，这种机制在过去几十年的正常生理和肿瘤进展过程中都已被确定。细胞的移动需要脂质和蛋白质从移行细胞的后缘循环到前缘。转移启动子和抑制子已经被确认通过调节这种迁移来起作用。胞吞途径蛋白与细胞迁移和侵袭之间联系的多样性和复杂性表明，胞吞过程可能是转移机制所必需的。

与细胞外基质的相互作用

肿瘤细胞在迁移发生时与原发肿瘤的胞外基质发生相互作用。在运动和侵袭过程中，细胞形成细胞-基质粘连(也称为细胞“足”)或局部粘连，溶解后在板椭圆形突起处重新出现。1989年，整合素通过胞内作用和胞外作用进行循环的机制首次被提出，这些平衡系统中有多种蛋白质发挥作用，目前已被确定参与细胞迁移和癌症转移 (图2)。

代谢转移

癌细胞中的脂肪酸代谢与转移潜能有关8。长链脂肪酸酰基辅酶A是一种参与脂肪酸代谢的代谢中间体，可抑制核苷二磷酸激酶A和B (NME1和NME2)，它们调节CME，是已知的转移抑制因子。通过对NME1和NME2的功能分析表明，这些蛋白通过与动力素的相互作用来调节胞吞作用。有假设认为NME蛋白作为动力蛋白2的GTP提供者，从而导致动力蛋白2 GTPase活性的增加，这是催化囊泡分裂所必需的，从而增加胞吞作用。另外，NME蛋白可能作为一种寡聚剂，促进dynamin 2的寡聚，从而提高其GTPase活性。有趣的是，NME蛋白家族的10个成员现在已经在脊椎动物中被鉴定出来，并显示出它们的功能取决于它们的细胞定位。NME4的抑瘤活性可能是通过参与线粒体裂变和融合的动力类蛋白介导的，其机制与NME1和NME2在质膜上的作用机制类似。

癌症治疗中的作用

无论是免疫治疗、靶向治疗还是通过纳米颗粒进入细胞，胞吞作用对药物的输送至关重要。治疗药物靶向细胞表面受体的调节、在质膜上的停留时间和浓度均可引起药物反应的变化。高迁移率组蛋白B1(HMGB1)是免疫细胞分泌的一种信号分子，可触发有效的抗肿瘤免疫反应。细胞外HMGB1通过诱导动力介导的蛋白质内化，减少T细胞质膜上程序性细胞死亡蛋白1(PD1)的表达，导致其早期胞吞和随后在溶酶体中的降解，进而增强T细胞的抗肿瘤活性。如果一种药物的目标无法达到，它就不能很好地发挥作用。对于靶向肿瘤细胞表面蛋白的药物，肿瘤使用的耐药性机制之一是靶受体胞吞作用。在任何杀伤机制启动之前，靶受体可以从细胞表面清除。

图3. 抑制胞吞作用对细胞毒性药物递送的潜在影响。

抑制胞吞作用

有趣的是，CME对胞吞作用的作用已经在体内的肿瘤异种移植中进行了功能测试，这是为数不多的在体外环境中发现的活性在体内得到验证的胞吞途径之一。通过抑制dynamin2抑制CME已被认为是一种潜在的癌症治疗方案。胞吞作用途径的操纵是科学、临床前和临床进展的一个活跃领域，该综述概述了一些从实验和临床试验中确定的关于靶向胞吞作用的重要假设和误解。

关于毒性

研究人员通常认为，全身抑制胞吞作用对所有细胞都是有毒的。事实上，编码D.melanogaster中dynamin同源物的shibire基因的消融会导致瘫痪状态以及突触泡池枯竭的表型。因此，对人体胞吞作用的不可逆抑制同样可能具有极高的毒性。然而，如果抑制药物在剂量毒性方面具有正确的特征，并且在适当的时间尺度上代谢可逆，则胞吞作用的抑制可以是细胞特异性的和短暂的。在临床试验中观察到，胞吞抑制剂最显著的不良反应是血浆峰值水平20分钟左右的嗜睡。通常情况下，关于抑制基本内控分子的科学关注并不总是考虑以它们为靶点的药物的药理方面，包括剂量反应、可逆性和代谢。尽管每种药物、抗体和佐剂药物组合都需要严格的安全性测试，但一些更可怕的毒性预测尚未在临床观察到，这些担忧不应阻止介导胞吞作用暂时和可逆抑制的疗法或佐剂的进一步开发。

考虑脱靶效应

另一个经常表达的担忧是，抑制胞吞过程将增加肿瘤细胞受体激活的生长刺激信号通路。这些作用确实会暂时发生，但这种激活和保留的后果取决于特定的胞吞抑制剂。因此，通过破坏脂质结构域的各种方法，包括胞吞破坏，靶向质膜结构域，可用于临床影响这一受体的呈现和内化过程。

关于免疫功能受损

虽然抑制胞吞作用也会抑制免疫细胞激活等关键过程，但这种抑制并不会阻止免疫细胞。它既不能阻止抗体与肿瘤细胞结合，也不能阻止抗体与免疫细胞目标结合。如果胞吞作用的抑制是暂时的和可逆的，被抑制的免疫活动将在逆转后直接重新开始。因此，适当设计的联合治疗可用于暂时保留细胞表面成分，从而允许发生最大的相互作用，并在恢复胞吞作用时促进最大的肿瘤细胞杀伤。另一个关于胞吞抑制剂和治疗性抗体(如抗pd1和抗pdl1)组合的担忧是，增加的肿瘤细胞杀伤也会导致增加的免疫细胞死亡。由于免疫细胞表达PD1和一些表达PDL1，任何增强的ADCC效应也可能被定向杀死免疫细胞以及表达免疫检查点的肿瘤细胞。这种假设的不利影响在实践中也被证明是不发生的，可能是由于特定的免疫细胞机制，保护这些细胞不被周围激活的免疫细胞杀死。

未来展望和结论

胞吞作用是所有肿瘤特征的重要组成部分，它影响药物稳定性和治疗反应以及免疫细胞功能。如果我们要开发内化过程的临床效益，我们需要考虑如何衡量胞吞作用。例如，基于单一受体或单一分子的诊断预测将是高度异质性的(就像癌症中的胞吞作用一样)，并且胞吞过程的系统级读取将在临床上更有用(图2)。在治疗过程中，质膜受体和药物的胞吞作用可以改变药物的药理学。临床研究已经发现，使用暂时和可逆的胞吞作用抑制剂作为单一疗法时，治疗效果非常小，但当用于辅助治疗时，它们可以增加其他抗癌药物的疗效，特别是单克隆抗体。如果一种胞吞抑制剂作为单一疗法使用时有效，其抑制作用必须持续较长时间，这将增加其毒性的机会。此外，在对这些途径进行临床转化的机理分析时，应该记住涉及整个胞吞系统，而不是单个分子。

未来的研究工作中，胞吞作用在肿瘤和抗肿瘤治疗中的作用可能涵盖许多角度。胞吞作用在转移中的确切机制尚未确定，但细胞可塑性过程中转运的改变可能为这些细胞群提供了一个特定的治疗靶点。随着对胞吞作用理解的加深，有可能改变抗体疗法、adc和放射配体的传递，并在正确的药理学基础上，增加旁观者效应和靶传递，减少脱靶效应，允许最大限度地结合到肿瘤细胞靶标的毒性。最后，胞吞作用在肿瘤的多个方面具有中心作用，随着有关胞吞作用在营养物质清除和转移方面的新数据的出现，以及其他尚未描述的作用，了解肿瘤相关过程中胞吞作用的调控机制，将逐步增加对癌症起始和进展的理解，并有可能发现新的抗肿瘤治疗靶点。

编译：吴星、张祥

审校：张军、缪长虹

参考文献：  

Banushi B, Joseph SR, Lum B, Lee JJ, Simpson F. Endocytosis in cancer and cancer therapy. Nat Rev Cancer. 2023 May 22. doi: 10.1038/s41568-023-00574-6.

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