腫瘤免疫微環(huán)境中免疫細胞的“兩面性”
2024-05-23 點擊量:643
免疫系統(tǒng)與腫瘤之間的關(guān)系是目前癌癥領(lǐng)域研究最多的課題之一。以前,人們認為癌癥僅腫瘤本身的作用;然而,現(xiàn)在我們知道它需要不同細胞和細胞因子的支持,即腫瘤微環(huán)境(TME)。在構(gòu)成TME的成分中,負責支持腫瘤的免疫細胞,在這種腫瘤環(huán)境中起著關(guān)鍵作用。雖然在正常情況下,免疫細胞可以在癌癥免疫監(jiān)測過程中識別和摧毀新生的腫瘤細胞,但在癌癥免疫編輯過程中,它們可能會受到腫瘤存在的不同因素的影響。免疫細胞可以充當監(jiān)護人(抗腫瘤免疫)或腫瘤的旁觀者或支持者(促腫瘤免疫),這一事實使它們成為TME中的一把“雙刃劍”。
長期以來,幾乎所有的研究都只專注于單個腫瘤細胞,人們認為腫瘤是由增殖的癌細胞組成的組織腫塊;然而,在19世紀,Stephen Paget通過種子和土壤理論對TME的描述證實了腫瘤包含各種非癌細胞。在過去25年中,腫瘤作為一個復雜的器官進行了研究,表明整個腫瘤成分(腫瘤細胞)本身不是惡性的,但它們需要腫瘤基質(zhì)(非腫瘤細胞)的作用來促進腫瘤的發(fā)生,包括持續(xù)的炎癥。事實上,在其初始階段,腫瘤細胞能夠指導TME形成血管,以招募營養(yǎng)因子、細胞衍生囊泡和免疫細胞,從而促進許多癌癥特征的發(fā)展。
構(gòu)成TME和腫瘤細胞的腫瘤基質(zhì)包括基底膜、細胞外基質(zhì)(ECM)、成纖維細胞、各種癌癥相關(guān)成纖維細胞(CAF)、血管生血管細胞(AVC)、內(nèi)皮細胞、支持粘液細胞、膠質(zhì)細胞、平滑肌、上皮細胞、,脂肪細胞和浸潤性免疫細胞(IIC)。此外,TME還含有細胞因子、趨化因子、生長因子和抗體。
TME如何影響腫瘤發(fā)生、癌癥進展和轉(zhuǎn)移的研究越來越多。目前,已有的研究表明,腫瘤可以改變其微環(huán)境,而微環(huán)境可以影響腫瘤的生長和擴散。TME在調(diào)節(jié)癌癥患者的免疫反應中起著關(guān)鍵作用。腫瘤細胞及其微環(huán)境通常會產(chǎn)生大量免疫調(diào)節(jié)分子,這些分子會對免疫細胞的功能產(chǎn)生負面(抑制因子)或正面(激活因子)影響。因此,TME能夠根據(jù)TME的組成將免疫反應從腫瘤破壞性模式轉(zhuǎn)換為腫瘤促進模式。其中,TME中的免疫細胞、可溶性介質(zhì)(細胞因子、趨化因子、血管生成因子、淋巴管生成因子和生長因子)和細胞受體在免疫反應中起著關(guān)鍵作用。
免疫細胞包括不同的細胞群:白細胞分為粒細胞(中性粒細胞、嗜酸性粒細胞和嗜堿性粒細胞)、單核細胞和淋巴細胞(T淋巴細胞和B淋巴細胞),還有紅細胞、血小板、肥大細胞、樹突狀細胞(DC)和固有淋巴細胞(ILC)。所有這些細胞都來源于骨髓中的造血干細胞(HSC)。
在涉及的因素中,腫瘤源性細胞因子、趨化因子甚至代謝條件(pH、氧氣水平和營養(yǎng)素)都可以影響TME中的免疫細胞功能。根據(jù)TME的不同,免疫細胞將相應地分泌不同的因子,從而確定其抗腫瘤或促腫瘤作用。
粒細胞
多項研究表明,TME中的腫瘤相關(guān)中心粒細胞(TAN)促進腫瘤細胞的增殖、外滲和遷移。TAN可釋放顆粒成分,如彈性蛋白酶,以促進癌細胞的增殖和侵襲。TAN還通過分泌IL-1β和MPPs促進腫瘤細胞向轉(zhuǎn)移前龕的外滲,從而促進癌細胞的擴散。除了促腫瘤作用外,TAN還通過產(chǎn)生ROS和TRAIL來介導腫瘤細胞的細胞毒性。
具有抗腫瘤作用的中性粒細胞被稱為“N1”TAN,而具有促腫瘤作用的中性粒細胞被稱為“N2”TAN。研究表明,TME通過分泌各種細胞因子影響N1和N2亞群的平衡,例如,TGF-β、IL-6、G-CSF和IL-35可誘導TAN的促腫瘤極化,IFN-β和IL-12可誘導TAN的抗腫瘤極化。研究還表明,TAN與TME中的淋巴細胞相互作用并調(diào)節(jié)其功能。在4T1荷瘤小鼠中,N2 TAN抑制NK細胞介導的腫瘤細胞清除,從而促進腫瘤轉(zhuǎn)移。N2 TAN還通過分泌CCL17將Treg招募到TME中,從而促進腫瘤生長。相反,N1 TAN產(chǎn)生趨化因子,如CCL3、CXCL9、CXCL10,將CD8+T細胞招募到TME中,并分泌細胞因子(如IL-12、TNF-α和GM-CSF),以激活CD8+T細胞的細胞毒性,從而提供抗腫瘤作用。
肥大細胞
腫瘤相關(guān)肥大細胞(TAMC)在人類實體瘤中的預后價值尚不清楚,且存在爭議。然而,眾所周知,MCs通過釋放IL-1、IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α、IFN-γ、TGF-β、MCP-3、MCP-4、白三烯B4(LTB4)和糜蛋白酶,可促進炎癥、抑制腫瘤細胞生長和誘導腫瘤細胞凋亡。此外,在肺癌小鼠模型中,前列腺素D2(PGD2)分泌與抑制血管生成和血管通透性相關(guān)。目前,已知它們與一些人類癌癥的良好預后相關(guān),如非小細胞肺癌、乳腺癌和前列腺癌。
當作為促腫瘤細胞激活時,TAMC能夠促進:(1)腫瘤細胞的增殖和存活;(2) 通過分泌血管生成成分,包括IL-8、TNF-α、TGF-β、神經(jīng)生長因子(NGF)、VEGF、成纖維細胞生長因子(FGF-2)和尿激酶型纖溶酶原激活劑(uPA),實現(xiàn)血管生成和淋巴管生成;(3) 通過釋放MMP、類胰蛋白酶和糜蛋白酶促進侵襲和轉(zhuǎn)移;(4) TME免疫抑制。有趣的是,在這種情況下,腫瘤內(nèi)MCs與不良預后相關(guān)。它們具有促腫瘤活性,因為它們能夠通過表達顯著更高水平的免疫抑制分子PD-L1來破壞人類胃癌的抗腫瘤免疫,從而抑制T細胞免疫。因此,在CRC患者、胃癌、PDAC、乳腺癌、肺癌和前列腺癌患者中,MCs與較差的預后相關(guān)
巨噬細胞
腫瘤相關(guān)巨噬細胞(TAM)在功能上是異質(zhì)性的,分為兩個主要亞群,M1和M2巨噬細胞。在對脂多糖(LPS)、IFN-γ和GM-CSF的反應中,M1巨噬細胞經(jīng)歷經(jīng)典激活并優(yōu)先分泌抗菌分子和促炎細胞因子,包括活性氧(ROS)、一氧化氮(NO)和IL-6。M1巨噬細胞是抵抗微生物感染的第一道防線。M1巨噬細胞還保持強大的抗原呈遞能力,誘導強烈的Th1反應。
相反,M2巨噬細胞受IL-4、IL-13、IL-10和CSF-1的作用經(jīng)歷選擇性激活,并優(yōu)先分泌抗炎細胞因子,包括轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)、IL-10以及蛋白酶(如精氨酸酶-1和MPPs)。M2巨噬細胞在限制免疫反應、誘導血管生成和組織修復方面起著關(guān)鍵作用。因此,M2樣TAM的存在與促腫瘤活性相關(guān),而M1樣TAM的存在與抗腫瘤活性相關(guān)。
TAM通過分泌促炎癥介質(zhì),如TNF-α和ROS,創(chuàng)造有利于腫瘤啟動的誘變微環(huán)境。
在非小細胞肺癌患者中,免疫檢查點配體PD-L1的表達在腫瘤浸潤性免疫細胞中上調(diào),其中富含M2樣TAM。機理研究表明,暴露于乳酸后,TAMs上PD-L1的表達上調(diào)。PD-L1與T細胞上PD-1的相互作用抑制了T細胞增殖并誘導T細胞凋亡,從而導致免疫耐受。同時,TAM通過表達PD-L1和分泌抗炎細胞因子IL-10抑制CD4+輔助性T細胞的擴增。
另外, TAM通過分泌趨化因子CCL22以招募Treg,通過分泌TGF-β,來增強Treg的功能。人類TAM還分泌表皮生長因子(EGF)以增強腫瘤細胞的侵襲性。TAM均上調(diào)MMP,MMP降解間質(zhì)膠原,上調(diào)膠原的合成和組裝,以重塑TME,有利于腫瘤細胞的侵襲。
樹突狀細胞
樹突狀細胞是最有效的抗原呈遞細胞(APCs),連接先天免疫和適應性免疫。DC在生理條件下具有表型和功能異質(zhì)性。作為對微生物感染的反應,細胞外微生物蛋白通常被成熟DC吞噬或內(nèi)吞,并通過II類主要組織相容性復合體(MHC)分子呈現(xiàn)給CD4+T細胞。相反,胞漿微生物蛋白通常通過I類MHC分子呈現(xiàn)給CD8+T細胞。滲透到TME中的DC包括處于不同發(fā)育階段的不同亞群。這些腫瘤相關(guān)樹突狀細胞根據(jù)樹突狀細胞亞群和腫瘤分期發(fā)揮免疫刺激或免疫抑制作用。
傳統(tǒng)DC(cDC):cDC由兩個表型和功能不同的亞群組成。人cDC1表達CD11c、MHC-II、BDCA3、CD141、XCR1、CLEC9A和DNGR1。人cDC1表達toll樣受體(TLR)并分泌促炎性細胞因子,包括IL-12p70和IFN-α,以響應感染誘導Th1反應。cDC1刺激抗腫瘤免疫反應,cDC1特異性基因標記一直被用作癌癥患者的積極預后標志物,cDC1在腫瘤中的存在與良好的臨床結(jié)果相關(guān)。
cDC2更豐富,表達CD11c、MHC-II、BDCA1、CD172a(SIRPα)、CD115(CSF-1R)和CD11b。人cDC2產(chǎn)生各種細胞因子,如IL-10和IL-23,并將抗原呈遞給CD4+輔助性T細胞,從而激活效應性T細胞,包括Th2細胞和Th17細胞。cDC1啟動dLN不同區(qū)域的CD8+T細胞,而cDC2啟動dLN不同區(qū)域的CD4+T細胞。盡管cDC2激活的效應T細胞主要是導致免疫耐受的Treg但在人類和小鼠模型中,cDC2基因標記的表達與陽性預后相關(guān)。因此,cDC1和cDC2都有利于抗腫瘤免疫。
漿細胞樣DC(pDC): 與分泌抗體的漿細胞具有相同形態(tài)的DC稱為pDC。人pDC為CD123+CD303+CD304+CD11c?, 在應對病毒感染時,pDC通過TLR識別病毒核酸,分泌I型干擾素IFN-α,并在抗病毒防御中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而腫瘤浸潤性pDC會導致IFN-α的減少并維持了體內(nèi)FoxP3+Tregs的擴增,促進了免疫耐受和腫瘤的進展。此外,黑色素瘤患者中的pDC表達吲哚胺2,3-雙加氧酶,可消耗色氨酸, 導致T細胞無能和免疫耐受。表明pDC可誘導免疫抑制性免疫反應。
除了免疫抑制作用外,一些研究表明pDC可誘導免疫刺激反應。CD123+pDC位于原發(fā)性黑色素瘤的瘤周區(qū)域,與CD8+T細胞密切接觸。功能分析顯示,人和小鼠pDC均能激發(fā)CD8+T細胞,導致其活化并分化為細胞溶解性和產(chǎn)生IFN-γ的效應T細胞,并使體內(nèi)腫瘤消退。
TME的人CD2highpDC表達高水平的顆粒酶B、TRAIL和溶菌酶,限制腫瘤細胞的增殖并介導腫瘤細胞的接觸依賴性殺傷。此外,CD2highPDC也能有效分泌IL-12p40,它能刺激幼稚T細胞,導致T細胞擴增和免疫反應。因此,pDC在腫瘤發(fā)展過程中既發(fā)揮促腫瘤作用,又發(fā)揮抗腫瘤作用。
單核細胞源性DC(MoDC): 作為對感染的反應,循環(huán)單核細胞進入組織并分化為DC, 這些DC稱為MoDC或炎性DC(inf DC),在人類中表達CD1a、BDCA1、CD11c、MHC II和CD64。在某些癌癥的TME中觀察到MoDC,MODC能夠有效表達TNF-α和誘導型一氧化氮合酶(iNOS), iNOS介導產(chǎn)生的NO抑制T細胞增殖,表明MoDCs誘導免疫抑制反應。此外,在淋巴瘤小鼠模型中,過繼轉(zhuǎn)移的CD8+T細胞介導的抗腫瘤作用依賴于DC表達的一氧化氮合酶2(NOS2),提示MODC具有免疫刺激作用。因此,MoDC在腫瘤中的功能需要進一步研究。
NK細胞
NK細胞可以自發(fā)發(fā)揮作用,而無需事先致敏。此外,它們在細胞觸發(fā)時快速產(chǎn)生IFN-γ和TNF-α的能力,導致對致癌轉(zhuǎn)化的早期反應。因此,其對腫瘤細胞的即時干預,包括其促進炎癥發(fā)生的作用,與它們積極參與腫瘤的免疫監(jiān)測有關(guān)。
NK細胞通過其細胞毒性反應參與溶瘤作用,NK細胞的效應免疫反應涉及多種細胞因子(IFN-γ、IL-10、IL-5、IL-13、TNF-α和GM-CSF)和趨化因子(MIP-1α、MIP-1β、IL-8和CCL5)的分泌。值得注意的是,NK細胞表達的CD96、CD161和CD244等分子可以作為共受體,調(diào)節(jié)細胞溶解活性和細胞因子的產(chǎn)生,IFN-γ是NK最常見的細胞因子之一,是NK通過激活其表面受體NKG2D分泌的,在抗腫瘤活性中起著關(guān)鍵作用。
盡管NK細胞在抗腫瘤活性方面的貢獻眾所周知,但由于TME試圖逃避NK細胞監(jiān)測的影響,它們可以被調(diào)節(jié)并表現(xiàn)為促腫瘤表型。其作為促腫瘤細胞的作用機制與免疫編輯和免疫抑制有關(guān)。
一方面, TME對NK受體有影響,一項研究表明,中和TME恢復了NK細胞的細胞毒性活性,增強了NKG2D的表達;另一方面, TME通過耐受性免疫細胞(如Treg、MDSCs、TAMs)以及可溶性因子(如PGE2、TGF-β、IL-6等)誘導免疫抑制環(huán)境,這些都會導致NK細胞的功能障礙。在這種情況下,TME的免疫抑制作用會導致NK細胞以促腫瘤的方式發(fā)揮作用,有研究在一些CRC患者中報告此類情況。
B細胞
自20世紀70年代以來,人們普遍認為B細胞只具有促腫瘤功能,因為在一些小鼠模型中,B細胞抗體的行為可能有利于癌癥的發(fā)生和擴散。然而,近年來,進一步的研究顯示了其在抗腫瘤免疫中的作用。事實上,在對54個癌癥研究的分析中,有50%的研究報告對腫瘤浸潤性B細胞的預后影響呈陽性,其余9%為不良,41%中性。在轉(zhuǎn)移性黑色素瘤中,TIL B細胞被認為是僅次于CD8+TIL的第二個最佳疾病預后預測因子。此外,TILs B細胞還能夠在癌癥環(huán)境中表現(xiàn)出抗原驅(qū)動的克隆擴增、類別轉(zhuǎn)換和親和力成熟。
TIL B細胞和腫瘤內(nèi)產(chǎn)生的抗體可通過以下機制促進抗腫瘤活性:(1)向CD4+和CD8+T細胞呈遞腫瘤源性抗原;(2) 改變其抗原靶點對癌細胞的功能;(3) 促進腫瘤細胞的調(diào)理作用,導致通過DC上的Fcγ受體攝取抗原,并增強DC的呈遞作用;(4) 激活補體級聯(lián);(5) 通過ADCC,導致巨噬細胞和NK細胞活化;(6) 通過ADCP發(fā)揮作用;(7) 產(chǎn)生具有細胞毒性免疫應答的IFN-γ和IL-12;(8) 通過顆粒酶B和TRAIL殺死腫瘤細胞。
在促腫瘤方面,B細胞可以通過IL-10的產(chǎn)生激活補體,從而誘導促腫瘤活性。促進癌癥生長和進展的機制之一是癌癥中免疫復合物的生成,免疫復合物可由抗腫瘤抗體生成。此外,巨噬細胞也可以被激活,并通過促炎介質(zhì)與先前由B細胞生成的免疫復合物結(jié)合,促進促腫瘤活性。
關(guān)于細胞因子的產(chǎn)生,B細胞衍生的免疫抑制細胞因子可以抑制CD8+CTL和NK細胞功能。這些細胞因子包括:IL-10、TGF-β、IL-35、IL-21和TNF-β。此外,Breg細胞還能夠產(chǎn)生腺苷,參與抑制T細胞活化。在最近的研究中,較高水平的Breg細胞表明,尿路上皮性膀胱癌和胃癌患者預后不良。
CD4+T細胞
Th細胞作為免疫反應的中央?yún)f(xié)調(diào)器,在細胞免疫反應的放大和調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用。關(guān)于腫瘤,Th細胞具有多方面的作用:(1)通過分泌細胞因子,如IFN-γ和TNF-α,幫助B、NK細胞和CD8+CTL;(2)支持體液和細胞毒性反應;以及(3)直接抗腫瘤活性。由于這些特點,它們在發(fā)展和維持有效的抗腫瘤免疫、調(diào)節(jié)針對癌癥的適應性免疫反應以及作為腫瘤免疫微環(huán)境中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子方面的基本作用毋庸置疑。此外,它們也是免疫治療的靶點,重點在于它們激活CD8+CTL反應的能力。
在促腫瘤方面,CD4+T細胞可能受TME的影響,產(chǎn)生支持腫瘤生存的促腫瘤功能的細胞因子。它們可能與其他類型的細胞聯(lián)合作用,如MDSCs、TAMs。此外,由于其可塑性可以轉(zhuǎn)化為Treg,Th1-Treg轉(zhuǎn)化是小鼠和人類肺癌的特征。
Th2細胞主要與促腫瘤活性有關(guān)。它們通過增強血管生成、抑制細胞介導免疫殺死腫瘤細胞發(fā)揮作用。Th2介導的免疫中有一些關(guān)鍵因素可以發(fā)揮促腫瘤作用,例如嗜酸性粒細胞(IL-10抑制CTL對腫瘤細胞的溶解)、IL-13(NKT細胞衍生的IL-13抑制CTL激活);2型CD8+T細胞(分泌IL-10的Tc2細胞)、B細胞(通過IL-10分泌和免疫復合物的形成抑制CTL介導的腫瘤清除)。
調(diào)節(jié)性T細胞(Treg)是另一種Th亞群,其特點是在同種狀態(tài)和炎癥中都具有免疫抑制活性和耐受功能。由于本質(zhì)上被認為是免疫抑制性的,它們本身并不像傳統(tǒng)T細胞那樣具有抗腫瘤活性。它們被認為是TME的支持,因為其可以通過IL-10和TGF-β的產(chǎn)生抑制TME中的抗腫瘤免疫效應器反應。
CD8+T細胞
CD8+T細胞是抗腫瘤免疫反應的主要效應細胞,通過MHC-I特異性識別APC呈遞的抗原肽后,原始CD8+T細胞被激活,然后分化為細胞毒性效應T細胞。它們通過細胞毒性作用執(zhí)行效應器功能,導致靶細胞死亡。與NK細胞類似,CD8+T細胞可以順序結(jié)合和攻擊多個靶細胞。因此,它們殺死腫瘤細胞的能力使它們在抗腫瘤免疫中起著關(guān)鍵作用。
在促腫瘤方面,CD8+T細胞有多個亞群(Tc1、Tc2、Tc9、Tc17、Tc22),但并非所有亞群都具有細胞毒性功能。Tc17細胞(以IL-17A、IL-17F、IL-21、IL-22產(chǎn)生和低水平顆粒酶B為特征)在不同的癌癥中表現(xiàn)出雙重作用,在食管鱗癌患者表現(xiàn)為抗腫瘤,而在HNSCC患者中表現(xiàn)為促腫瘤活性。此外,低Tc1/Tc2比率與涎腺腫瘤患者的不良預后相關(guān)。Tc22增加IL-22與促腫瘤活性呈正相關(guān),因為它能夠誘導移植相關(guān)SSC患者的腫瘤生長。
TME影響和調(diào)節(jié)的另一個機制是“CD8+T細胞耗竭”。這一過程導致效應器功能逐漸喪失,從而產(chǎn)生缺陷激活的腫瘤特異性T細胞。這種效應器功能的缺失涉及TNF-α、IFN-γ的缺失[519]和免疫檢查點分子的高水平表達,。因此,由于存在免疫耐受和免疫抑制機制,腫瘤特異性耗竭的T細胞無法在晚期控制腫瘤進展。
目前,眾所周知,免疫系統(tǒng)能夠通過其抗腫瘤免疫殺死腫瘤和轉(zhuǎn)化細胞。然而,通過一種稱為“癌癥免疫編輯”的過程,這種能力可能會受到損害,導致腫瘤細胞可以逃避免疫監(jiān)視,從而觸發(fā)腫瘤生長。在這個過程中,為了生存,腫瘤創(chuàng)造了免疫抑制性的微環(huán)境,使本來具有抗腫瘤作用的免疫細胞可以轉(zhuǎn)化為功能障礙、旁觀者甚至促腫瘤細胞
在這種情況下,TME和免疫細胞以雙向方式影響彼此的命運。因此,TME已成為癌癥生物學中最重要的研究領(lǐng)域之一。更好地理解免疫逃避過程以及免疫細胞與TME之間的關(guān)系,可能有助于我們開發(fā)藥物控制免疫細胞,終結(jié)腫瘤的免疫逃避。
參考文獻:
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