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免疫治療與腫瘤微環境
[ 來源:網絡   發布日期:2018-07-31 14:58:31  責任編輯:  瀏覽次 ]

癌癥免疫療法近來獲得令人振奮的進展,迎來了腫瘤治療的新時代。在本綜述中,我們將著重研究TME如何影響免疫治療的療效,以及在某些情況下如何調節TME來改善當前的免疫治療方案。


摘要


癌癥免疫療法近來獲得令人振奮的進展,迎來了腫瘤治療的新時代。免疫治療可以在晚期癌癥患者身上引起比常規化療更大的空前的持續應答。然而,這一應答僅發生在相對少部分患者身上。免疫治療的陽性反應通常依賴于腫瘤細胞與腫瘤微環境(TME)內免疫調節的相互作用。在這些相互作用下,腫瘤微環境在抑制或增強免疫應答中發揮著重要的作用。認識免疫治療與TME間的相互作用不僅是剖析作用機制的關鍵,為改善目前免疫治療的療效提供新的方法也具有十分重要的意義。在本綜述中,我們將著重研究TME如何影響免疫治療的療效,以及在某些情況下如何調節TME來改善當前的免疫治療方案。


前言


通過免疫檢查點抑制劑和嵌合抗原受體(CAR)T細胞療法,癌癥免疫治療在多種癌癥患者身上顯示出了顯著的長期療效。癌癥的常規治療,如放療和化療,通常作用于腫瘤細胞本身,并且可以引發大部分患者的反應。盡管這些常規治療在初期會產生應答,但是在長期治療后的癌癥晚期常出現復發和耐藥。與常規療法顯著不同,免疫療法通過作用于免疫系統而引發免疫系統抗腫瘤響應。免疫檢查點抑制劑臨床試驗顯示出了前所未有的持續響應,盡管這僅限于一小部分患者。因此,免疫治療首要任務是弄清其詳細的作用機制,以及如何將這種積極的響應擴展到更多患者身上。


在體外免疫系統能夠識別腫瘤抗原并殺傷腫瘤細胞。然而,要消除機體內形成的腫瘤僅靠識別腫瘤抗原是不夠的。一個成型的腫瘤是一個復雜的組織,它不僅由腫瘤細胞組成,還包括也基質細胞,炎癥細胞,脈管系統和細胞外基質(ECM),所有這些總和定義為腫瘤微環境(TME)。通過免疫治療成功控制腫瘤需要免疫系統的激活,效應細胞的擴增,活化的效應細胞浸潤到腫瘤組織并破壞腫瘤細胞(圖1)。然而TME常阻礙效應淋巴細胞致敏,降低其浸潤能力,并抑制浸潤的效應細胞,從而導致機體的抗腫瘤作用出現損害。免疫治療的抗性機制包括如下:(1)抑制性微環境或缺乏抗原刺激/協同刺激的免疫細胞,尤其是T細胞,可能會促使TME內腫瘤的生長和免疫逃逸;(2)生物屏障對腫瘤組織的包裹可導致免疫細胞遷移進腫瘤部位的數量不足;(3)有限的抗原特異性T細胞群短暫激活或耗竭未能抑制腫瘤生長;(4)由于TME的作用腫瘤抗原向引流淋巴結釋放不足,淋巴組織內直接或間接抗原遞呈量少,導致缺乏T細胞致敏。因此,對免疫治療與TME間相互作用更好的了解,可能會為提高目前免疫治療應答率提供新的方法。由于TME在常規治療中影響近期已有綜述,我們將側重于對免疫治療和TME之間的相互作用的了解。




圖1:免疫治療和腫瘤微環境(TME)。免疫治療成功控制腫瘤需要免疫系統的激活,效應細胞擴增,活化的效應細胞對腫瘤組織的浸潤并破壞腫瘤細胞。免疫治療的目的旨在增強上述過程,而腫瘤屏障可以大大抑制它們。效應T細胞可以被TME中檢查點的分子,如PD-L1抑制。PD-L1的抑制作用可以通抗-PD1 / PDL1來克服。激發檢查點抗體用于激活免疫細胞。但是,一些抗體,如抗CD40也可以在基質細胞發揮優化腫瘤控制的作用。將ECM形成腫瘤屏障阻止T細胞到達TME破壞腫瘤。另一方面,淋巴細胞向TME中的浸潤可以通過細胞因子/趨化因子的誘導/遞送得到增強。


免疫治療和TME之間的相互作用


免疫調節抗體


檢查點封閉抗體


免疫檢查點是指通過共抑制或共刺激信號一系列途徑以調節T細胞活性,以防止在正常情況下發生自身免疫疾病的功能。越來越多的證據表明,腫瘤使用這些重要機制的多種途徑,以逃逸抗腫瘤免疫反應。其中,針對細胞程序性死亡受體(PD-1)以及PD-1配體(PD-L1或B7H1)的抑制劑,在臨床試驗中顯示的療效給人留下了深刻的印象。PD-1主要表達于活化的T細胞表面,盡管PD-L1在正常組織中表達有限,但是在一些腫瘤細胞上的表達大幅增加。有趣的是,如果經過炎性細胞因子刺激,特別是干擾素(IFN),許多細胞可出現PD-L1表達上調。PD-L1與T細胞上PD-1結合抑制T細胞活化并誘導T細胞凋亡。這一模式表明腫瘤細胞表達PD-L1抑制T細胞浸潤腫瘤,導致機體抗腫瘤作用失效。通過對PD-L1陽性腫瘤患者更容易出現抗PD-1治療應答的初步觀察,這一觀點受到支持。然而,隨著患者樣本的增多,一些腫瘤細胞PD-L1陰性的患者也同樣被觀察到對PD-1治療產生響應。此外,最近回溯性臨床研究表明,PD-L1封閉響應和腫瘤浸潤性免疫細胞PD-L1的表達之間有高度相關性。這項研究提出了一個可能,即在TME中除腫瘤細胞以外,其他細胞上PD-L1的表達會對免疫逃逸發揮重要的作用。


為了提高檢查點封閉療法的應答率開發了一些聯合治療方法。其中,PD-1與細胞毒T淋巴細胞相關抗原4(CTL-A4)組合在臨床試驗中顯示出了最好的改善。CTL-A4是主要表達在調節性T細胞(Tregs)上的另一個檢查點分子。通過抗CTL-A4阻斷該途徑耗竭腫瘤組織中的Treg細胞,造成抗原特異性細胞毒性T淋巴細胞的擴增。協同效應主要受限于局部TME,協同效應中成瘤后封鎖淋巴細胞遷移沒有作用。


免疫激活單克隆抗體


與一旦激活就會抑制免疫反應的PD-1和CTL-A4相比,以CD40/CD40配體(CD40L)為代表的可促進免疫應答的不同類別的免疫檢查點通路。CD40表達于B細胞,單核細胞和樹突狀細胞(DC)。CD40L主要表達于活化的T細胞和血小板。通過CD40激活抗原遞呈細胞信號并誘導共刺激和MHC分子的表達,從而加強抗原遞呈作用和T細胞致敏。模擬CD40L與CD40結合的抗體已被開發,在體外和體內都可以激活免疫反應;此外,這類抗體已進入臨床試驗并顯示出了充滿前景的結果。有趣的是,盡管原始機制表明T細胞致敏在CD40活化之后,后來的研究顯示T細胞可能是非必需的,至少在某些腫瘤模型中是這樣。具體地說,在小鼠胰腺導管腺癌模型中,通過抗CD40誘導腫瘤消退依賴于巨噬細胞,而不是T細胞。抗CD40激活巨噬細胞,然后轉移至腫瘤組織引發腫瘤基質的耗竭來導致腫瘤的消退。有觀點認為,不僅在腫瘤模型中,在其他疾病模型中基質細胞對CD40激動劑療效發揮重要的作用。的確,在Bouchlaka等最近研究中發現,對老年小鼠使用CD40激動劑聯合IL-2可誘發細胞因子風暴并致死。后續研究顯示,CD40誘導內臟脂肪組織中的巨噬細胞活化。這些活化的巨噬細胞產生了高水平的IFN,并導致了細胞因子風暴。為何只是老年小鼠會致命的一種可能的解釋就是老年小鼠器官內比年輕小鼠積蓄更多的脂肪。由于很多癌癥的發病率老年群體會更高,在CD40應用于不同癌癥患者時,應考慮到這個不利因素的影響。關于CD40/CD40L的報道是一個有趣的案例,這表明有些時候TME是免疫治療的主要目標,而不是腫瘤細胞。


CAR-T細胞


CAR-T細胞的整體概念是,T細胞可以被改造以表達腫瘤特異性抗原的CAR,從而一旦識別到腫瘤抗原就可以激活T細胞。CAR的典型結構是一個單鏈可變區(scFv)鏈接胞內的信號傳導模塊。然后scFv與腫瘤抗原結合,在特異性抗原下CAR激活T細胞而不是MHC方式。CAR-T治療急性淋巴細胞白血病的臨床試驗顯示出了令人難以置信的療效,完全緩解率近90%。然而,嘗試用CAR-T治療實體瘤的效果一直不太理想,并且正致力于提高CAR-T在實體瘤內的活性和靶向特異性。


由于CAR-T在體外可有效裂解腫瘤細胞,CAR-T無法在體內實體瘤中發揮作用的可能性之一是T細胞不能穿透腫瘤屏障。在胸膜惡性腫瘤中,Adusumilli等人對CAR-T不同給藥途徑的療效進行評估。他們發現,CAR-T細胞胸膜局部給藥達到完全緩解比全身給藥更加有效,所需要的CAR-T細胞要少30倍。有意思的是,盡管通過全身給予大量CAR-T細胞使其在腫瘤組織中累積的數量與局部給予的類似,但是全身給藥途徑的CAR-T細胞的抗腫瘤效果和功能較弱。這些數據表明TME不僅可以阻止T細胞進入腫瘤,并且能夠迅速降低其浸潤腫瘤的活性。


TME可以在腫瘤組織周圍形成生物屏障以阻礙淋巴細胞的滲透。其中之一便是ECM。活化的T細胞為了能進入并破壞腫瘤組織,它們通常分泌酶以對ECM進行降解。Caruana等人的一項出色的研究中顯示,這些酶之一乙酰肝素酶在CAR-T細胞中表達下調。乙酰肝素酶是一種內切糖苷酶,它可以切開ECM的重要組成部分,硫酸乙酰肝素蛋白多糖的硫酸乙酰肝素鏈。因此,CAR-T細胞乙酰肝素酶缺乏大大削弱了其穿透腫瘤的能力。令人關注的是,將CAR-T細胞改造成過表達肝素酶可顯著增強降解ECM的能力,以增強其腫瘤浸潤和抗腫瘤活性。


調控TME的趨化因子/細胞因子的分布


趨化因子


淋巴細胞的轉運和遷移受趨化因子的調控,對趨化因子進行調控可以募集足量的效應細胞進入腫瘤組織對腫瘤進行殺傷。所有介導T細胞趨化作用的趨化因子,如趨化因子(C-C基元)配體21(CCL21)和CXC基元趨化因子10(CXCL10),都非常重要。


CCL21, 即CCR7配體,是介導DC和T細胞歸巢到淋巴和非淋巴組織的一個重要的趨化因子。在早期研究中,瘤內注射CCL21可完全根除肺癌模型中的腫瘤。再者,表達CCL21的DC細胞伴隨腫瘤浸潤CD8+T細胞介導腫瘤消退,從而使腫瘤得到根除。在另一項研究中,Shields等人敲除了惡性黑色素瘤模型中CCL21,并且驚奇地發現腫瘤細胞表達高水平CCL21建立了免疫耐受TME并促進了腫瘤的進展。與此相反,CCL21缺陷型腫瘤生長慢得多,并誘導腫瘤特異性T細胞的應答。這些研究中相矛盾的結論可能是由于TME的不同,如腫瘤模型或表達CCL21的細胞類型不同。總的來說,這些研究表明使用趨化因子處置TME時,要謹慎選擇效應細胞和靶細胞。


募集T細胞的另一個趨化因子是CXCL10,即CXCR3配體。da Silva等人的最近研究顯示,二肽基肽酶4(DPP4)負責在腫瘤組織中滅活CXCL10。抑制DDP4酶活性以保持CXCL10活性,從而增加CXCR3+淋巴細胞轉運到腫瘤組織。DPP4抑制后,高表達CXCR3的腫瘤浸潤T細胞數量顯著增加。本項研究進一步顯示,DDP4抑制劑可以與其他免疫療法聯合使用,包括輔助型免疫治療和免疫檢查點封閉分子。增加腫瘤浸潤淋巴細胞(TIL)以改善當前免疫治療的想法很具有吸引力,盡管本研究這方面進展還不顯著。它仍然可能是不止一種趨化因子參與其中。


細胞因子


在腫瘤免疫治療中趨化因子的總體療效比其他免疫療法遜色,這意味著針對單個趨化因子不足以募集足夠的淋巴細胞來完全控制腫瘤。事實上,與免疫治療時腫瘤中的趨化因子相比,我們實驗室發現有些關于T細胞遷移的趨化因子明顯不同(未公布數據)。相對于趨化因子,細胞因子是可以調節免疫應答的一大類蛋白質。細胞因子可直接激活免疫效應細胞或刺激腫瘤基質細胞,以致為淋巴細胞的募集產生的趨化因子和粘附分子。這些功能表明根據不同的腫瘤微環境,針對細胞因子也可以是腫瘤免疫治療的一種有效途徑。


在腫瘤方面研究最廣泛的細胞因子是I型干擾素,幾乎所有的細胞都會表達并在的抗腫瘤反應中發揮重要的作用。雖然全身給藥重組I型IFN已用于臨床治療某些腫瘤,但由于干擾素受體分布廣泛,這種治療與高毒性相關。一些小組在測試利用抗體引導IFN特異于腫瘤組織的二代IFN。在Xuan等人的一項研究中,相對于游離的IFN-α,以IFN-α與抗CD20抗體連接形成融合蛋白,對已經成形的腫瘤顯示出更強的溶瘤活性和更低的毒性。這種抗腫瘤作用主要由于獨立于獲得性免疫的直接殺傷,因為該種融合蛋白可以對裸鼠的異種移植腫瘤進行抑制。敲除腫瘤細胞的IFN受體會大大降低抗腫瘤效果,這表明抗CD20-IFN-α融合蛋白介導的抗腫瘤效果主要通過IFN受體直接誘導腫瘤細胞凋亡。然而,當T細胞存在時仍可參與整個抗腫瘤反應。在另一項研究中,Yang等人使用抗EGFR抗體引導IFN-β(抗EGFR-IFN-β融合蛋白)用作腫瘤的免疫治療。類似于以前的研究,抗EGFR-IFN-β的融合蛋白也顯示出強效的抗腫瘤活性。


Yang等人的數據明確顯示,相對于在高劑量下抗CD20- IFN-α融合蛋白直接誘導腫瘤細胞凋亡,抗EGFR-IFN-β的融合蛋白的抗腫瘤效果依賴于獲得性免疫。具體而言,抗EGFR-IFN-β融合蛋白靶向DC細胞以增加抗原交叉呈遞,以致在TME中增加T細胞致敏;為了支持這一觀點,對DC細胞的IFN受體條件性敲除會完全消除其抗腫瘤能力。


這些研究之間的差異不足為奇。事實上,類似的矛盾現象已經在使用游離的I型干擾素進行腫瘤免疫治療中被發現,在某些模型中IFN可以促進腫瘤細胞的生長,而在其他情況下機體需要IFN增強免疫來控制腫瘤。自身免疫是否受IFN的影響似乎依賴于TME中IFN的表達水平。由于低劑量的IFN-β的不能結合腫瘤組織中所有的IFN受體,因此機體免疫對腫瘤的控制需要優化。與此相反,在腫瘤組織局部給予高劑量的IFN-β可誘導腫瘤血管的破壞,導致腫瘤消除。后一種過程與T、B或NK細胞相關。總之,從這些研究中可以得到,免疫調節劑的劑量可導致免疫療法與TME之間完全不同的相互作用。


淋巴細胞充分浸潤到腫瘤組織是免疫治療成功的關鍵。事實上,在各類癌癥的治療中TIL的存在與良好的預后密切相關。趨化因子和細胞因子可以募集淋巴細胞尤其是T細胞進入腫瘤組織,將TME從免疫抑制狀態轉換到免疫增強狀態。IFN被認為其中之一。然而,在實驗室初步研究表明,TIL的增加只在某些腫瘤模型中觀察到,這有可能與干擾素多種下游效應有關(未發表的結果)。


另一個可以在TME中強力增加TIL的是LIGHT(也稱為腫瘤壞死因子超家族成員14[TNFSF14]),一個可以調節T細胞活化的共刺激分子。膜定位的全長LIGHT在蛋白酶的作用下可以轉換為分泌型的細胞因子。我們實驗室的研究顯示,LIGHT在腫瘤細胞中強制表達可促進淋巴樣結構形成以引導T細胞聚集與活化,從而導致腫瘤的消退。


LIGHT是結合了皰疹病毒侵入介質(HVEM)和淋巴毒素β受體(LTβR)兩個不同受體的配體蛋白。LIGHT結合的HVEM向T細胞傳遞共刺激信號,LTβR通常表達于非淋巴細胞,是形成二級和三級淋巴結構的關鍵。LTβR在淋巴結的構造和次級淋巴器官的不同T細胞和B細胞組織中發揮關鍵作用。通過LTβR信號調控各種趨化因子和粘附分子的表達以控制脾臟內DC和淋巴細胞的遷移與定位。因此,相對于只靶向一點的趨化因子,腫瘤基質細胞中LIGHT的LTβR信號激活誘導表達多種趨化因子和粘附分子向TME募集效應T細胞。


多種趨化因子的誘導使LIGHT對淋巴細胞的募集和活化比單個趨化因子和細胞因子更有效。總之,針對TME使用細胞因子以誘導免疫環境被廣泛研究,以支持它們可能是治療癌癥的一種有效方法這一觀點。


PRR激動劑


模式識別受體(PRR)是一類表達于原始細胞可以從細胞應急和病原體感應危險信號的的一類保守蛋白質。通過PRR信號誘導可以使免疫反應細胞因子表達,以致先天和獲得性免疫的激活。已經開發了幾個模仿危險信號的PRR激動劑,并已在臨床前和臨床研究中應用。其中,CpG具有最有效的抗腫瘤活性,并已在小鼠研究中廣泛使用,包括單獨使用或與其他療法聯用。抗體引導的CpG定位到腫瘤組織可誘導腫瘤完全消退。這個過程伴隨著DC的活化和全身抗腫瘤免疫反應。但是,應該指出的是的CpG的抗腫瘤作用在小鼠模型中比人類中的效果更突出,這有可能是因為TLR9表達形式的差異。


大多數合成PRR激動劑衍生自微生物相關分子形態。然而,當兩項研究揭示TME中干擾素基因(STING)途徑刺激因子識別危險信號的關鍵作用時,到目前為止在生理條件下TME中PRR信號在很大程度上還未能確定。STING是連接PPR到IRF3活化的一個配體蛋白。Woo等人研究表明STING通路在識別腫瘤來源的DNA中起重要作用,可導致IFN-β產生。STING途徑缺陷減少了IFN-β的產生,從而導致小鼠中腫瘤控制缺陷。Deng等人的補充研究顯示STING也是識別放射治療后腫瘤釋放的DNA的關鍵;此外,他們證明了cGAMP,即STING激動劑可以增強放射治療的抗腫瘤作用。


結論


免疫反應是一種動態的和復雜的過程,其中不同的機制彼此制約,以保護該機體、組織和細胞,包括來自免疫殺傷的腫瘤細胞。TME是免疫抑制和免疫增強交匯的位置,但通常免疫抑制占主導地位。最近檢查點阻斷技術體外抗體制藥的成功證明了這一觀點,其表明操縱不同的信號通路可以創建比以往更有效的療法。


另一方面,患者相對低的反應率表明當前的免疫療法仍然存在阻礙,在許多情況下不能夠釋放其全部潛力。因此,本文編譯作者Paul Hsu認為我們對這些免疫機制的理解還有很大的上升空間。隨著研究人員對TME和免疫治療認識的深入,會出現更多處置TME以及提高目前的免疫治療的療效的方法。

 

原文作者:Tang Hai Dong

英文原文:Immunotherapy and tumor microenviroment

 

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