肿瘤微环境中的免疫细胞及作用机理

2019-04-10 15:30 严国樑

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【笔者对肿瘤微环境一直非常感兴趣，基于工作的原因，对于肿瘤微环境中的免疫细胞尤其感兴趣，刚好看到一本专门介绍这方面的书籍《interaction of immune and cancer cells》，因而将其中一部分自己感觉比较有意思的内容整理如下，起个抛砖引玉的作用】

实体肿瘤已被越来越多的人认为是“器官”，因为它的复杂性接近甚至可能超过正常的健康组织。实体瘤不仅含有恶性细胞，还包含其他一些非恶性细胞类型（如成纤维细胞、归巢上皮细胞、周细胞、肌成纤维细胞、血管和淋巴管内皮细胞，以及浸润的免疫系统细胞〉，它们共同构成了间质组织。间质组织的非恶性细胞会产生一种独特的做环境，可以改变该肿瘤细胞的致癌特性。事实上．现在人们已经认识到，癌细胞和肿瘤微环境中的其他细胞之间存在着广泛的相互作用，其中包括早期肿瘤招募并激活间质细胞组成原始的癌前间质。后者反过来促进附近癌细胞的肿瘤表型，这样又会再次向间质发送信号，继续其重编程。因此，肿瘤微环境是间质组织细胞和肿瘤细胞之间的一个双向、动态、错综复杂的相互作用网络。

在肿瘤发生及恶性进展过程中，肿瘤浸润的免疫炎性细胞发挥了重要的作用。一旦被捎募到肿瘤微环境中，这些细胞可以促进癌症细胞表型向恶性发展。此外，它们还构建起复杂的细胞间相互作用网络，有助于提高和维持免疫抑制性微环境，促进免疫逃逸，从而最终促进了肿瘤的进展。

“肿瘤免疫编辑”—清除、平衡、逃逸三阶段

对于肿瘤发生中免疫系统的作用有人构想出了完整的理论来解释，从而形成了 “癌症免疫编辑”的理论。根据这一理论，免疫系统不仅可以使宿主免于发生肿瘤，还可以塑造正在发展中的肿瘤的免疫原性表型，从而促进形成或选择免疫原性降低的肿瘤变种，这些变种更适合在免疫系统完好的环境中生存。由此，这一理论为发展中的肿瘤提供了逃避免疫学检测和清除的机制。肿瘤免疫编辑分为三个阶段，分别称为清除、平衡和逃逸。在肿瘤免疫编辑的清除阶段，对应于肿瘤免疫监视功能，免疫系统检测并清除已经发生的肿瘤细胞（这是细胞内在的抑癌机制失败的结果）。清除阶段可以是完全的，结果是所有的肿瘤细胞都会被清除干净；或是不完全的，仅有一部分肿瘤细胞被清除。在部分肿瘤被清除的情况下，宿主免疫系统与清除过程中幸存下来的肿瘤细胞变体进入一种动态平衡。在平衡阶段，免疫系统对肿瘤细胞施加一种强有力的选择性压力，足以抑制但不能完全杀灭包含有许多遗传不稳定且快速变异的癌细胞的肿瘤。在此选择期间，原先肿瘤细胞的很多逃逸变种被破坏掉；但新的变种会出现，携带有不同的基因突变，使得它们的抗免疫攻击能力增强。这一免疫逃逸机制在肿瘤水平被激活可能要归因于干扰素IFN－γ受体信号途径，I类主要组织相容性复合物(MHC I）的表达，I类MHC限制性抗原的加工，以及抗原呈递机制等方面的缺陷。这些异常可以是肿瘤细胞内癌基因激活的结果，如Her2/neu.它使肿瘤呈现 “潜伏 ”表型，因此可以逃避细胞毒性T淋巴细胞的检测。总之，免疫系统未能完全清除肿瘤，却筛选出了能够抵抗、躲避或抑制抗肿瘤免疫应答的肿瘤细胞．导致了逃逸阶段的出现。

另一种肿瘤免疫逃逸机制源自于进展中的肿瘤具备了干扰宿主免疫系统功能的能力。为此，肿瘤诱导或招募免疫抑制细胞，这些细胞通常在过渡炎症或自身免疫状态时作为保护措施被诱导。通过调节宿主免疫系统使其对抗自身，肿瘤能够获得一种强有力的武器来阻碍抗肿瘤免疫活性的诱导和发展。

总之，在逃逸阶段免疫系统不再抑制肿瘤的生长，结果是肿瘤逐渐生长起来。

肿瘤微环境中的主要免疫细胞

肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）

在原发肿瘤微环境中，至少已有人提出了两种关于TAMs促进肿瘤转移的机制。第一种机制涉及到肿瘤微环境内蛋白酶的分泌，如尿激酶纤维蛋白搭酶原激活剂CuPA）、组织蛋白酶B和D、MMP2和MMpg，它们能够消化肿瘤基底膜，从而促进肿瘤细胞逃逸。第二种机制是通过直接增强转移早期阶段的级联反应来实现的。一项生物体内侵袭实验表明TAMs通过肿瘤细胞和TAMs之间的旁分泌信号途径促进细胞运动和侵袭，巨噬细胞在这个途径中表达EGF，促进了细胞形成细长突起并被癌细胞侵袭。

在肿瘤微环境中的TAMs具有较强的免疫抑制活性，这不仅是通过其产生的IL 10，也通过所产生的趋化因子（如CCL17和CCL22）来完成。同时TAMs能够分泌招募初始（也就是未接触抗原）T细胞的CCL18。初始T细胞被招募进入此微环境．M2巨噬细胞和未成熟的树突状细胞（DCs）很可能诱导T细胞无能，这是T细胞无法完全启动针对其靶细胞的免疫反应的原因．从而促进了免疫抑制性肿瘤微环境的形成。

髓源性抑制细胞（MDSCs）

肿瘤微环境内另外一类免疫细胞是髓源性抑制细胞（MDSCs）。这些细胞包括一群处于不同分化阶段的异质表型未成熟髓样细胞。它们源自尚未完全成熟为粒细胞、单核细胞或DCs的骨髓祖细胞。MDSCs的主要功能是协调其他细胞的免疫反应，以促进免疫抑制和抗炎表型，这将导致肿瘤免疫逃逸。

MDSCs抑制功能的开启取决于几种因子．包括lL-4、lL-13、干扰素lFN-γ、lL-1β和TGF-β。激活的MDSCs直接通过在肿瘤微环境中表达诱导型一氧化氮合酶（iNOS）和ARGl来抑制抗肿瘤免疫应答。MDSCs干扰T细胞活化的另一种机制是它具有在肿瘤微环境中使Treg细胞增殖的能力。此外，MDSCs还抑制自然杀伤细胞和B细胞，并通过分泌高水平的IL-10诱发TAMs的M2极化。结果是免疫抑制细胞和抗肿瘤免疫细胞之间的平衡进一步倾斜，形成免疫抑制性微环境。最终，类似于TAMs, MDSCs能够促进血管生成，从而通过改善肿瘤微环境内营养物质和氧气的输送来促进转移的增加。

树突状细胞

DCs是多种类型癌症微环境的组成成分，肿瘤有能力吸引并重编程DCs的生物学特性，诱导它们发挥免疫抑制或血管生成的功能。肿瘤相关细胞因子如VEGF、IL-10和PGE2可以深刻影响DCs的特性。

数据表明肿瘤可以引导DCs分化为调节性DC亚群．有助于形成免疫抑制性肿瘤微环境并促进肿瘤的免疫逃逸。肿瘤相关性DCs通过产生血管生成分子如MMP、VEGF、血管生成素、类肝素酶和碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）来诱导Treg增殖并导致血管生成。肿瘤可以阻断单核细胞分化为巨噬细胞，从而防止DC诱导的肿瘤特异性T细胞启动。这一过程是由IL-6和M-CSF的相互作用而不是DCs介导的。被DC内吞的肿瘤糖蛋白癌胚抗原（CEA）和黏蛋白1(MUCl），可被局限于早期内体，从而防止了有效抗原处理和呈递给T细胞。肿瘤也干扰DC的成熟，第一．它可以通过分泌IL-10抑制DC的成熟，导致抗原特异性无能；第二，肿瘤衍生因子可以改变mDCs的成熟，产生间接促进肿瘤生长（促肿瘤DCs）的细胞。例如肿瘤源性胸腺基质淋巴细胞生成素(TSLP）导致DCs表达OX40配体, 诱导生成Th2细胞。这些CD4+T细胞通过分泌IL-4和IL-13促进乳腺肿瘤的发生，这些细胞因子可以防止肿瘤细胞的凋亡，并可通过剌激TAMs分泌EGFI同接促进肿瘤细胞的增殖。

pDCs也在肿瘤进展中发挥作用。这些细胞表面表达一种孤儿受体--免疫球蛋白样转录体 (ILT7）。pDC上的ILT7与肿瘤细胞上的BST2之间的相互作用抑制pDCs中IFN－α和炎性细胞因子的产生。这些pDCs诱导初始CD4+T细胞分化为具有免疫抑制功能的产IL-10的T细胞。

肿瘤浸润性T细胞

肿瘤也被肿瘤相关抗原特异性CD8＋T细胞所浸润。尽管T细胞有可能杀死肿瘤细胞但通常它们的活性较低，无法控制肿瘤的生长。尽管导致T细胞根除肿瘤失败的分子和细胞机制依然不是很明确，但早期的研究证据表明，引起肿瘤微环境中的T细胞功能失调的原因是T细胞无能、衰竭和哀老。

T细胞的激活依赖于TCR在MHC分子存在的情况下从APC或APC样细胞（肿瘤细胞）上识别其同源抗原。协同刺激分子CD80（B7-1）、CD86（B7-2）和CD28之间的相互作用对于T细胞的特异性激活是至关重要的。T细胞无能通常被描述为T细胞处于IL2产量较低或不完全激活的低反应状态，其中初始T细胞处于低协同刺激和或高协同抑制状态。人类肿瘤和肿瘤相关APCs经常表达高水平的B7-H1［CD274或程序性细胞死亡蛋白1配体（PD-L1）、B7H2（cd275或icOS-D）、B7-H3（CD276）、B7-H4（B7S1或B7x）和B7-DC（CD273或P2LW）协同抑制分子，低或不表达B7-1（CD80）和B7-2（CD86）协同刺激分子。这表明肿瘤微环境中的协同刺激水平差，协同抑制水平高，从而促进了T细胞无能。

T细胞衰竭描述的是效应性细胞中细胞因子表达和效应功能下降并且对再激活有抵抗作用。在慢性炎症部位细胞长期激活会发生衰竭，比如在癌症、自身免疫性疾病和慢性感染的情况下。在肿瘤内，衰竭的T细胞表现为IL2、IFN-γ和TNFa的表达明显降低，并日细胞周期停滞、这种效应确定为T细胞衰竭。在肿瘤中衰竭的T细表达多种抑制性表面分了，有效防止细胞活化。这些抑制性受体包括B7-H1、程序性细胞死亡蛋白1（PD-1）、2B4（CD244）、B和T细胞淋巴细胞弱化因子（BTLA）、细胞毒性T淋巴相关抗原4（CTLA-4）、CD160、淋巴细胞激活基因3（LAG-3）以及T细胞免疫球蛋白及黏蛋白结构域分子3（Tim-3）。

衰老T细胞是端粒变短且反应迟钝的晚期分化细胞细胞周期停滞，并且表型发生变化如CD28表达缺失，高表达Tim-3、CD57和杀伤细胞凝集素样受体G亚家族成员1（KLRG-1）。这些细胞在杀伤能力和负调节功能发育方面存在明显的缺陷。

总之，在肿瘤发生过程中观察到的外周细胞的耐受机制包括T细胞无能、衰竭、衰老和调节性T细胞（Treg），损害了正在进行中的T细胞功能，使肿瘤逃逸。

调节性T细胞（CD4+CD25+FOXP3+）

肿瘤逃逸免疫应答的另一种机制是招募Treg进人肿瘤微环境。这些细胞积极地抑制病理和生理免疫反应，从而导致了免疫自我耐受和免疫稳态的维持。此外，它们还参与抑制广泛的免疫反应，包括对自体肿瘤细胞过敏原、致病或共生微生物、同种异体器官移植以及怀孕期间胎儿的反应。

它们能够抑制CD4＋T细胞的活化和增殖，抑制效应性T细胞的功能，抑制CD4+T细胞和CD8＋T细胞的激活或增殖及细胞因子的形成，抑制B细胞的增殖和免疫球蛋白的产生与类别转换，抑制NK细胞和自然杀伤T细胞（NKT）的细胞毒性作用，并抑制DCs的功能和成熟。

有证据表明，Tregs表达的CTLA-4和LAG3分子，与APCs表达的CD80和CD86协同刺激分子，在Tregs介导的抑制中发挥着重要作用。

Tregs分泌的免疫抑制细胞因子代表了Tregs介导抑制或抑制环境条件的另一种机制 Tregs分泌IL-10和TGF-β，IL-10能够在DCs上诱导免疫抑制协同剌激分子B7-H4，而TGF-β对于维持自然Tregs和从初始T细胞诱导Tregs是必不可少的。Tregs介导抑制的另一种可能机制是杀死效应性细胞。事实上，Tregs释放可能引起T细胞、单核细胞和DCs死亡的穿孔素和粒酶A。有趣的是相比其他免疫细胞，Tregs还拥有一种更强的硫氧还蛋白系统，从而导致ROS介导损伤的灵敏度降低，导致它们在肿瘤微环境中具有生存优势。