趋化因子对肿瘤微环境的影响

2024-04-03 16:04

前言

在过去的十年中，以CTLA-4和PD-1免疫检查点抑制剂为代表的癌症免疫疗法获得了巨大的成功。然而，同时人们也逐步认识到由于肿瘤微环境（TME）的免疫抑制特性诱导抗肿瘤免疫的失败，导致癌症免疫疗法只有20-30%的人群能够获益。这激发了人们对TME功能的理解，TME的成分包括造血细胞、成纤维细胞、血管和淋巴管内皮细胞，以及它们产生的周围细胞外基质和可溶性因子。

为了使我们的免疫系统清除恶性实体瘤，髓系和淋巴细胞不仅必须从血液中外渗到肿瘤组织中，而且还必须进一步迁移到肿瘤微环境的各个特殊部位，以在功能上相互作用，与非造血基质细胞相互作用，最终与癌细胞相互作用。这些相互作用调节局部免疫细胞的存活、增殖扩张、分化及其促肿瘤或抗肿瘤效应器功能的执行，这些功能共同决定了自发或治疗诱导的抗肿瘤免疫反应的结果。这些相互作用都不是随机发生的，而是精心安排的，严重依赖于趋化因子及其受体提供的迁移指导线索。因此，了解肿瘤免疫微环境的功能不可避免地需要了解趋化因子在其细胞成分的募集和定位中的多方面作用。这些深入的理解将有助于我们对抗肿瘤免疫或免疫耐受的潜在机制产生新的见解，还将为肿瘤生物标志物和抗肿瘤药物的开发新策略提供助力。

趋化因子的生物学

迄今为止，在人类和小鼠中共鉴定出约50多种趋化因子。根据这些趋化因子N-末端半胱氨酸基序的结构被分为CC、CXC、XC和CX3C基序趋化因子配体家族。趋化因子的序列同源性差异很大，但都具有三个β-片层核心的特征结构，这些β-片层连接到N-末端半胱氨酸基序和C-末端α-螺旋，使它们能够与七次跨膜结构域的G蛋白偶联受体（GPCR）结合。

人和小鼠共有18种具有趋化活性的经典趋化因子受体，并根据其结合的配体家族分为CC、CXC、XC和CX3C基序趋化因子受体家族。尽管许多经典的趋化因子受体只与一个已知的配体结合，但一些受体可以与多个配体结合。除了经典的趋化因子受体外，还鉴定出许多受体结合趋化因子，但不介导趋化性。到目前为止，其中四种已被归类为非典型趋化因子受体（ACKR），其他一些正在等待官方分类。

经典趋化因子受体的特征在于其第二个细胞内环中的DRYLAIV氨基酸基序，这使它们能够与激活第二信使如cAMP、三磷酸肌醇（IP3）或二酰甘油（DAG）的Gαi类G蛋白偶联，并且可以通过触发极化肌动蛋白聚合来驱动整合素介导的细胞粘附或细胞迁移。此外，配体诱导的GPCR激活另一个通路是β-arrestin，其可以与G蛋白竞争并且使受体内化而阻断GPCR信号传导。另一方面，β-arrestin也诱导额外的信号活性，例如MAPK、PI3K–AKT和NF-κB途径，对细胞存活、生长和增殖具有趋化性无关的影响。G蛋白和β-arrestin介导的细胞效应之间的平衡可能因作用于同一受体的不同配体、作用于不同受体的相同配体或不同细胞类型的相同配体-受体而不同。这使得趋化因子系统中产生额外的多样性，这可能解释了其有效药理学靶向面临的一些挑战。

趋化因子影响TME的生物机制

趋化因子家族在整个进化过程中的扩展使不同的趋化因子系统能够在支持组织功能的各种生物过程中发挥特殊作用，包括但不限于我们的免疫防御机制。这些生物过程在癌症患者中被激活，以响应由癌细胞的失调行为引起的组织完整性的破坏。癌细胞通过精心设计趋化因子环境，促进各种细胞类型的外渗和分化，为癌细胞的生存和增殖提供营养支持，或在TME中发挥免疫抑制活性，从而在个体患者中形成独特的TME。

1型免疫反应

在有效抗肿瘤免疫中发挥最大作用的机制是1型免疫反应，这种反应在进化中为对抗病毒和细菌或原生动物构成的威胁。其特征是细胞因子IL-12和IFN-γ的中心作用，细胞内病原体衍生抗原在主要组织相容性复合体I（MHC I）上的呈递，从而产生对感染细胞的细胞毒性杀伤，例如自然杀伤（NK）细胞或MHC I限制性T细胞。

与1型免疫最密切相关的趋化因子受体是CXCR3及其配体CXCL9、CXCL10和CXCL11。CXCR3在TCF1+干细胞样CD8+T细胞上高表达，促进其外渗到肿瘤组织中，并可能促进其与CXCL9表达的1型常规树突状细胞（cDC1s）的相互作用，该细胞交叉呈递肿瘤抗原。这些相互作用可能促进其转化为TCF1-效应细胞毒性T淋巴细胞（CTL）。干细胞样CD8+T细胞和NK细胞表达XCL1以吸引XCR1+cDC1s，而效应CTL和NK细胞表达CCL3、CCL4和CCL5以吸引表达CCR5的cDC或其前体。CCR5还可以引导CTL与单核细胞和巨噬细胞相互作用，以激活它们的抑瘤功能，并将它们引导到其他CTL分泌CCL3、CCL4和CCL5的位点，从而产生群集行为。

在强抗肿瘤免疫的条件下，表达CXCL16的CCR7+cDC亚群聚集在基质小静脉周围，在那里它们与表达CXCR6的外渗效应CTL相互作用，并提供生存和共刺激信号，以维持它们在肿瘤微环境TME中的增殖扩张。

2型免疫反应

与1型和3型免疫反应相比，2型免疫反应主要是宿主导向的。在短暂的IL-17依赖性中性粒细胞阶段之后，2型免疫反应迅速转变为效应器功能，其目的是驱除寄生虫，例如通过粘膜屏障组织处的粘液产生或平滑肌收缩，以及激活伤口愈合程序并将其集中在寄生虫直接周围的组织上，以包裹和容纳寄生虫。这种联系，尤其是与促进肿瘤生长的伤口愈合程序的联系，通常被视为2型免疫反应主要促肿瘤活性的基础，特别是在肿瘤发生的早期阶段。然而，2型免疫反应也可以发挥抗肿瘤活性，例如，通过转移的TH2细胞引导的嗜酸性粒细胞脱颗粒，或通过肿瘤基质中TH2细胞驱动的血管正常化，以牺牲邻近肿瘤实质中的血管生成不足和缺氧细胞死亡为代价。

参与2型免疫反应的免疫效应细胞上表达的主要趋化因子受体是CCR3、CCR4和CCR8。有趣的是，CCR4和CCR8的表达与Treg细胞共享，这可能反映了2型免疫和免疫耐受之间的密切关系，以及炎症消退以实现有效组织修复的要求。TH2细胞分泌的CCL11可引起TME中嗜酸性粒细胞的积累和脱颗粒，使毒性颗粒蛋白损伤癌细胞。嗜酸性粒细胞的颗粒含量以及TH2细胞产生的IL-4也可以促进基质微血管的正常化，支持T细胞的积聚，并通过将血流转移到外周肿瘤间质来引起肿瘤核心的缺氧。

3型免疫反应

3型免疫有助于在稳定状态下维持我们与共生细菌和真菌的关系平衡，并在这些类型的微生物破坏我们的上皮屏障时被进一步激活。其主要效应功能由分泌细胞因子IL-17和IL-22的TH17细胞协调，用于诱导骨髓中的粒细胞增多和中性粒细胞募集到感染部位、表达抗微生物蛋白以及产生IgG和IgA抗体，巨噬细胞和补体。

与3型免疫反应最直接相关的趋化因子是CCL20，其由活化的上皮细胞表达，以募集表达其唯一受体CCR6的各种3型免疫细胞。例如，B细胞需要CCR6与派尔集合淋巴结（Peyer’s patches）中的DC相互作用，以促进同种型向IgA的转换，而发炎真皮中的单核细胞衍生的DC通过CCR6进入皮肤上皮。

某些化疗药物，如顺铂，可以诱导其配体CCL20在小鼠上皮肿瘤中的表达。这是表达CCR6的ILC3积累所需的，其反过来产生CXCL10以募集CD4+和CD8+效应T细胞。癌细胞来源的CCL20和ILC3对于化疗的治疗效果及其与PD-1靶向或CTLA-4- ICTs的协同作用至关重要。

组织驻留

在成功控制病原体或恶性细胞后，适应性免疫反应收缩，但T和B淋巴细胞的扩增克隆保留为记忆细胞，以提供增强的保护，防止再次感染或肿瘤复发。一些记忆细胞不断地通过淋巴组织或非淋巴组织再循环，而另一些记忆细胞则更永久地停留在特定的组织室中。CXCR6与组织驻留程序有关，该程序使CD8+记忆T细胞和其他淋巴细胞，包括自然杀伤T细胞（NKT）以及具有记忆特征的NK细胞，能够在非淋巴组织（如皮肤、肺或肝脏）中持续存在。

CXCR6在宿主细胞，特别是CTL上的表达具有重要的抗肿瘤作用，最近在更广泛的实体癌小鼠模型中得到了证实。从机制上讲，CTL上表达的CXCR6介导其与CXCL16+DCs的相互作用。在持续的抗肿瘤反应中，CXCR6将CTL保留在效应状态；此外，CXCR6还可能通过引导记忆淋巴细胞与提供IL-15和其他生存因子的细胞相互作用，在促进记忆淋巴细胞存活方面发挥作用。事实上，在小鼠黑色素瘤的手术切除后，CXCR6还介导皮肤中固有记忆T细胞的持久性，保护小鼠免受黑色素瘤再挑战。

免疫耐受

FOXP3+CD4+Treg细胞在耐受机制的多层系统中具有核心作用，该耐受机制防止针对自身抗原的不适当的免疫反应，并调节对病原体反应的大小和持续时间。所有活化的Treg细胞高表达的CCR4。

基于CCR4配体CCL22在卵巢TME中的高表达和CCL22对Treg细胞的趋化活性，提示这种趋化因子在Treg细胞向TME募集中的作用。此外，与循环或淋巴组织Treg细胞相比，CCR8在肿瘤浸润Treg上明显优先表达。然而，它对Treg细胞的作用仍不清楚。

不同趋化因子受体在Treg细胞积累中的作用也可能随着时间的推移而变化，并且在肿瘤发展的早期和晚期，不同的Treg细胞亚型被招募到肿瘤中。在癌症的原位模型中，观察到了从早期流行的CXCR3+TBET+Treg细胞向后期增加的CXCR6+Treg细胞的转变，而随着时间的推移，少数CCR6+RORγT+Treg细胞保持稳定。这表明了Treg细胞区室的复杂性，并且在未来关于趋化因子在Treg细胞向肿瘤募集中的作用的功能研究中必须考虑TME的动态变化。

血管生成

趋化因子及其各自的受体被认为是肿瘤血管系统的关键调节因子，在肿瘤血管生成中具有双重作用。趋化因子可以通过直接与内皮细胞上的趋化因子受体相互作用作为肿瘤血管生成介质，从而改善迁移和增殖以及内皮细胞存活。此外，趋化因子还可能通过促进TME中产生血管生成因子的白细胞的募集间接发挥作用，从而增强血管生成。趋化因子还可以与其他血管生成促进剂协同作用，如血管内皮生长因子（VEGF）。

另一方面，趋化因子还具有抑制肿瘤血管生成和内皮细胞增殖的活性。例如，CXCL4和CXCL10是具有血管抑制特性的趋化因子，包括抑制由成纤维细胞生长因子和VEGF诱导的血管生成以及阻止内皮细胞趋化性和增殖。此外，CXCL9、CXCL10和CXCL11与表达CXCR3的免疫细胞的相互作用可能招募具有血管抑制功能的细胞。

促进转移

大量研究证实了趋化因子系统在肿瘤转移中的关键作用。据报道，癌细胞上的趋化因子受体表达可以确定其转移的部位。这些转移部位产生的特异性趋化因子可以促进循环癌细胞迁移到“转移前生态位”，这为转移细胞的生长提供了有利的环境。

多种趋化因子和趋化因子受体与转移有关，CXCL12/CXCR4轴代表了这一现象的关键因素，在不同的肿瘤中已证实其参与肿瘤转移。参与癌症转移的其他趋化因子的例子有CCR7，它通过与转移部位分泌的CCL19和CCL21配体相互作用，介导癌细胞向淋巴器官的迁移；CCL28是CCR3/CCR10的配体，与乳腺癌生长和转移扩散相关；CCR10/CCL27信号支持转移扩散期间黑色素瘤细胞的粘附和存活，CXCR5/CXCL13相互作用似乎支持前列腺癌的骨转移。

趋化因子的靶向治疗

目前，临床已批准的靶向趋化因子的药物包括：抗CCR4抗体（Mogamulizumab）和CXCR4拮抗剂（Plerixafor，AMD3100），用于血液恶性肿瘤。此外，还有更多的针对不同趋化因子受体-配体轴作为癌症治疗策略的多种努力，这些治疗策略目前已表现出巨大的潜力，正处于临床开发中。