吲哚胺2，3-雙加氧酶-1在腫瘤免疫中的研究進(jìn)展

謝新華綜述；鄔黎青審校

(1.南昌大學(xué)第三附屬醫(yī)院病理科，江西南昌 330008；2.南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)部，江西 南昌 330006)

腫瘤的免疫治療是腫瘤治療的新途徑，明確腫瘤細(xì)胞逃避宿主免疫監(jiān)視與殺傷的機制是提高腫瘤免疫治療的療效和特異性的關(guān)鍵點。吲哚胺2，3-雙加氧酶 1(IDO-1)是催化色氨酸（L-Trp）分解代謝的限速酶，它通過降解色氨酸營造色氨酸饑餓環(huán)境及產(chǎn)生代謝產(chǎn)物來調(diào)節(jié)腫瘤免疫。目前IDO-1免疫功能的研究已經(jīng)涉及到慢性感染性疾病、移植和自身免疫性疾病以及惡性腫瘤。在腫瘤中，抑制IDO-1通路是理論上有助于增強腫瘤細(xì)胞內(nèi)源性T細(xì)胞介導(dǎo)的抗腫瘤反應(yīng)。了解IDO-1在腫瘤免疫中的機制，有利于尋找新的抗腫瘤免疫靶點，為研發(fā)新的抗腫瘤藥物提供理論基礎(chǔ)。

1 IDO-1的分子生物學(xué)特征

IDO-1是存在于細(xì)胞內(nèi)的含亞鐵血紅素的單體蛋白質(zhì)類酶，于1967年首次在兔小腸中被發(fā)現(xiàn)。人類IDO-1的編碼基因為單拷貝，全長約15kb，由10個外顯子和9個內(nèi)含子組成，其蛋白質(zhì)產(chǎn)物分子量約42kD，由403個氨基酸構(gòu)成[1]。2006年人類IDO-1蛋白晶體結(jié)構(gòu)表明IDO-1蛋白由一大一小兩個α螺旋結(jié)構(gòu)域及位于其內(nèi)部的亞鐵血紅素組成，其活性口袋位于較大結(jié)構(gòu)域中，具有高度親脂性，由口袋A和口袋B組成。底物可與較大結(jié)構(gòu)域的催化口袋發(fā)生氫鍵、鹽橋、疏水等作用[2]。

IDO-1是催化色氨酸（L-Trp）沿犬尿氨酸途徑（KP）分解代謝的限速酶，人體內(nèi)95%的L-Trp沿此途徑代謝。此途徑的第一步限速反應(yīng)為L-Trp氧化生成N-甲酰犬尿酸原，目前發(fā)現(xiàn)有三種限速酶能夠催化此反應(yīng)：色氨酸雙加氧酶(tryptophan2，3-dioxygenase，TDO)、IDO-1 和吲哚胺 2，3-雙加氧酶 2（IDO-2）。 雖然 IDO-1、IDO-2 和 TDO都催化相同的生化反應(yīng)，但它們只具有有限的生物功能、組織表達(dá)和底物特異性。IDO-1和IDO-2是IDO的兩種異形體，分享43%的序列身份。IDO-2顯示了極低的L-Trp降解活性，并存在功能性基因多態(tài)性[3]。至于TDO，主要存在肝臟中，與IDO-1的免疫調(diào)節(jié)作用相比，TDO的功能主要是維持血漿L-Trp的穩(wěn)態(tài)。而IDO-1主要負(fù)責(zé)L-Trp的非飲食分解代謝，并牽涉到腫瘤免疫耐受[4]。LTrp主要是沿犬尿酸途徑進(jìn)行一系列的氧化分解，最終生成犬尿烯酸、黃尿烯酸、2-氨基黏康酸、2-吡啶甲酸、喹啉酸和最終的NAD+等一系列代謝產(chǎn)物[5]。

2 IDO-1與腫瘤組織

2.1 IDO-1在腫瘤組織中的表達(dá) IDO-1分布在許多人體組織中，包括胎盤、肺 小腸、結(jié)腸、脾臟、肝臟、腎臟、胃和腦等器官[7]。在人體成纖維細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞等多種細(xì)胞內(nèi)均有表達(dá)，在抗原提呈細(xì)胞（大吞噬細(xì)胞及樹突狀細(xì)胞（DC））中表達(dá)最多[6]。正常狀態(tài)下IDO-1的表達(dá)水平低，但在感染、炎癥及細(xì)胞因子的作用下可顯著增加表達(dá)。

在腫瘤中IDO-1廣泛過表達(dá)于腫瘤細(xì)胞、腫瘤間質(zhì)細(xì)胞以及腫瘤區(qū)域引流淋巴結(jié)的DC，且IDO-1的高表達(dá)與患者的預(yù)后密切相關(guān)。Lee SJ等[7]對89例高微衛(wèi)星不穩(wěn)定性結(jié)腸癌研究發(fā)現(xiàn)，有28.1%（25例）患者觀察到IDO-1的高表達(dá)；且IDO-1高表達(dá)在單變量分析中與更好的無病生存（DFS）有顯著的關(guān)聯(lián)。劉洪芹等[8]在惡性黑色素瘤中發(fā)現(xiàn)IDO-1的陽性率為58.1%(50/86)，且IDO-1陽性患者的無病生存期均較陰性患者長，故其表達(dá)水平可作為惡性黑色素瘤評估預(yù)后的參考指標(biāo)之一。但Huang Q等[9]在結(jié)直腸腫瘤中發(fā)現(xiàn)IDO-1高度表達(dá)與患者生存率成反比，且研究發(fā)現(xiàn)miR-153可以直接抑制IDO-1的表達(dá)；然而，miR-153的過度表達(dá)并不直接影響癌細(xì)胞的存活、凋亡，只有當(dāng)結(jié)腸癌細(xì)胞成為T細(xì)胞的目標(biāo)時，腫瘤細(xì)胞內(nèi)的miR-153過度表達(dá)才能明顯增強T細(xì)胞的殺傷，并抑制小鼠的異種移植腫瘤的生長。該研究表明通過miR-153抑制結(jié)腸癌細(xì)胞中IDO-1的表達(dá)，可以增強CAR T細(xì)胞在腫瘤免疫抑制中的作用。Volaric A等[10]通過免疫組織化學(xué)對非小細(xì)胞肺癌（NSCLC）進(jìn)行IDO-1和PD-L1表達(dá)的評估，分別對152例NSCLC（51例腺癌、9例腺鱗癌和42例鱗狀細(xì)胞癌）進(jìn)行評估。在43%的NSCLC中發(fā)現(xiàn)了IDO-1的表達(dá) （42%的腺癌，44%的腺鱗癌，43%的鱗狀細(xì)胞癌）；且IDO-1與PD-L1（1%）的共同表達(dá)是很普遍的（總體上是27%：腺癌的27%，腺鱗癌的33%，以及26%的鱗狀細(xì)胞癌）。22種肺癌模型表明，使用IDO-1抑制劑減少了IDO-1的表達(dá)，從而降低了腫瘤的負(fù)荷，提高了存活率。Rosenberg AJ等[11]利用癌癥基因組圖譜（TCGA）和免疫組織化學(xué)（IHC）的基因表達(dá)分析IDO-1在食管癌中的作用和預(yù)后意義，發(fā)現(xiàn)在食管鱗狀細(xì)胞癌（SCC）和腺癌（AC）中，高 IDO-1 mRNA 水平與較差的整體生存率（OS）有關(guān)，且IDO-1和程序性死亡配體1（PD-L1）的高共同表達(dá)與SCC和AC的更差的總體生存率有關(guān)。綜合之前的研究分析，只有在惡性黑色素瘤及高微衛(wèi)星不穩(wěn)定性結(jié)腸癌中，ID0-1的高表達(dá)才與良好的預(yù)后具有相關(guān)性；而在大多數(shù)腫瘤中IDO-1的高表達(dá)均提示不良的預(yù)后。例如在肝癌、卵巢癌、急性髓性淋巴瘤、乳腺癌、腎細(xì)胞癌、宮頸癌、子宮內(nèi)膜癌及鼻咽癌等腫瘤中均研究表明有IDO-1的高表達(dá)，且高表達(dá)提示腫瘤惡性程度高、侵襲性強，患者預(yù)后差、生存率低。

2.2 IDO-1在腫瘤細(xì)胞高表達(dá)的機制 截至目前為止，腫瘤細(xì)胞高表達(dá)IDO-1的機制并非十分明確。激活的T淋巴細(xì)胞可以在腫瘤微環(huán)境中表達(dá)干擾素，從而誘導(dǎo)大多數(shù)組織和細(xì)胞表達(dá)IDO-1，并抑制T細(xì)胞對腫瘤細(xì)胞的反應(yīng)。人體許多的腫瘤在沒有T細(xì)胞浸潤的情況下仍然通過PGE2激活PKC和PI3K信號來表達(dá)IDO-1，而PGE2可以通過MAPK信號傳遞的環(huán)氧化酶2（COX2）誘導(dǎo)生產(chǎn)[12]。由于許多腫瘤在這些信號通路中存在致癌突變，它們亦可以在沒有干擾素的情況下出IDO-1高表達(dá)[13]。有研究報道IDO-1在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)異常與腫瘤抑制基因Bin1有關(guān)，Bin1蛋白通過下調(diào)IDO-1的表達(dá)，抑制腫瘤生成和腫瘤免疫耐受。臨床上發(fā)現(xiàn)乳腺癌、前列腺癌和黑色素瘤等多種腫瘤中都存在Bin1基因缺失和IDO-1過表達(dá)，這也與腫瘤患者的不良預(yù)后有關(guān)[14]。

3 IDO-1與腫瘤免疫

3.1 腫瘤免疫逃逸 腫瘤的免疫逃逸是指體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞繞過免疫系統(tǒng)的監(jiān)控、識別和攻擊，從而在體內(nèi)增殖的現(xiàn)象。新出現(xiàn)的腫瘤的遺傳和生化特征是由免疫編輯過程建立的，它可以同時預(yù)防和促進(jìn)腫瘤的形成，包括三個連續(xù)的階段，即消除、平衡和逃逸。在第一階段（消除）中，大多數(shù)轉(zhuǎn)化細(xì)胞通過效應(yīng)細(xì)胞的作用被有效地識別和破壞，如NK細(xì)胞和T細(xì)胞。在這個階段，IDO-1在腫瘤微環(huán)境中低水平產(chǎn)生，并抑制腫瘤擴(kuò)散。在平衡階段，存活的腫瘤細(xì)胞通過免疫系統(tǒng)的持續(xù)攻擊和積累突變而編輯。在逃逸階段，腫瘤細(xì)胞和被招募到腫瘤微環(huán)境的耐受性的免疫細(xì)胞大量產(chǎn)生IDO-1。增加的IDO-1活動會導(dǎo)致犬尿氨酸（Kyn）的生成，從而抑制效應(yīng)T細(xì)胞和NK細(xì)胞功能。與此同時，IDO-1誘導(dǎo)Treg細(xì)胞、DCs和 MDCSs的激活和擴(kuò)張，進(jìn)一步抑制了抗腫瘤T細(xì)胞的功能。這些機制共同建立了支持腫瘤生長的免疫抑制腫瘤微環(huán)境[15]。

3.2 IDO-1與機體免疫 L-Trp是人體內(nèi)含量較少的必需氨基酸，對維持細(xì)胞活化和增殖有重要意義，也是T淋巴細(xì)胞保持活性和生存所必需的氨基酸。人體內(nèi)95%的L-Trp通過犬尿氨酸途徑分解代謝，而IDO-1是犬尿氨酸代謝途徑第一步中最重要的限速酶。IDO-1表達(dá)的升高可以加速LTrp沿犬尿氨酸途徑分解代謝，從而造成局部微環(huán)境“色氨酸饑餓”，而L-Trp是機體內(nèi)T淋巴細(xì)胞增殖、分化所必須的氨基酸，L-Trp的缺乏會抑制T細(xì)胞的免疫功能；另外，L-Trp沿犬尿氨酸途徑分解代謝的產(chǎn)物會促進(jìn)未成熟T淋巴細(xì)胞向抑制性T細(xì)胞（Tregs）分化以及誘導(dǎo)成熟T淋巴細(xì)胞凋亡；故IDO-1的高表達(dá)會抑制人體的免疫功能，在局部微環(huán)境中營造的“色氨酸饑餓”狀態(tài)可以使腫瘤細(xì)胞逃避人體的免疫抑制。首次揭示IDO-1與機體免疫相關(guān)，是在妊娠狀態(tài)下IDO-1通過降解局部L-Trp，抑制母體T淋巴細(xì)胞的反應(yīng)，介導(dǎo)免疫耐受，從而保護(hù)胎兒免受母體免疫攻擊，有利于妊娠維持，至此揭開了IDO-1與機體免疫的新篇章。

3.3 IDO-1介導(dǎo)腫瘤免疫逃逸的機制 目前提出了各種解釋免疫逃逸的機制，包括免疫編輯、定向調(diào)控T細(xì)胞功能、抗原呈遞、免疫抑制調(diào)節(jié)劑的修飾、耐受性和免疫偏差、細(xì)胞毒性T細(xì)胞凋亡等。在認(rèn)識到這些不同機制之間的復(fù)雜性和相互作用的同時，本文將重點介紹IDO-1介導(dǎo)的L-Trp代謝及代謝產(chǎn)物在免疫逃逸中的作用。

IDO-1可以在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)也可以在宿主的抗原提呈細(xì)胞中表達(dá)，通過過表達(dá)IDO-1，腫瘤細(xì)胞可以營造一個免疫抑制的微環(huán)境來阻斷宿主抗腫瘤的免疫反應(yīng)[16]。目前，研究發(fā)現(xiàn)IDO-1介導(dǎo)腫瘤免疫逃逸的機制主要有以下三種：

⑴抑制T細(xì)胞增殖：L-Trp是T淋巴細(xì)胞活化增殖所必須的氨基酸，IDO-1降解L-Trp，使局部組織微環(huán)境中的L-Trp耗盡，導(dǎo)致轉(zhuǎn)運L-Trp的tRNA處于游離狀態(tài)，壓力應(yīng)答激酶(general control nonderepressible 2，GCN2)因其含有一個感應(yīng)游離tRNA的變構(gòu)調(diào)節(jié)位點而得到激活，活化的GCN2激酶使下游的真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄起始因子-2α(Eukaryotic translation initiation factor-2α，eIF-2α)磷酸化，導(dǎo)致eIF-2α促轉(zhuǎn)錄功能弱化，從而抑制T細(xì)胞中多種RNA的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的翻譯過程[17]。

⑵促進(jìn)T細(xì)胞凋亡：首先，L-Trp的缺乏能夠抑制氨基酸感應(yīng)激酶1(master amino acid-sensing kinase 1，GLK1)，進(jìn)而抑制 m-TOR 信號分子，觸發(fā)T細(xì)胞免疫無能和自噬[18]。再者，IDO-1通過催化L-Trp代謝，產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物如L-犬尿酸、吡啶甲酸、3-羥基氨基苯甲酸、奎林酸對T細(xì)胞具有毒性作用，能抑制T淋巴細(xì)胞功能，甚至能引起T淋巴細(xì)胞的凋亡[19]。最后，IDO-1依賴性的色氨酸降解導(dǎo)致L-犬尿氨酸水平的提高，也可以誘導(dǎo)氧自由基介導(dǎo)的T細(xì)胞凋亡[20]。

⑶調(diào)節(jié)T細(xì)胞的轉(zhuǎn)化及功能：首先，IDO-1通過代謝L-Trp產(chǎn)生的KYN是芳香烴受體(AHR)的內(nèi)源性配體，KYN與AHR結(jié)合導(dǎo)致未成熟的CD4+T細(xì)胞分化為抑制性T細(xì)胞 (Treg)，此外，KYN與AHR結(jié)合也能誘導(dǎo)IDO-1的表達(dá)，進(jìn)一步抑制T細(xì)胞的免疫應(yīng)答[21]。再者，腫瘤微環(huán)境中異常存在的PGE2誘導(dǎo)致耐受型DCs過表達(dá)ID0-1，在耐受型DCs中IDO-1的表達(dá)能夠促進(jìn)DCs成熟，從而間接活化抑制性T細(xì)胞(Treg)[22]。Chen[23]等研究發(fā)現(xiàn)，高表達(dá)IDO-1的DCs可通過CpG基序上調(diào)表面分子B7也可使抑制性T細(xì)胞(Treg)增殖，從而抑制活化T細(xì)胞的免疫功能。綜合研究結(jié)果提示，誘導(dǎo)腫瘤局部抑制性T細(xì)胞(Treg)的增殖是IDO-1介導(dǎo)局部微環(huán)境發(fā)生免疫耐受的主要調(diào)控機制[24]。

另外，也有研究[25]顯示IDO-1可以不依賴其酶活性，而是作為信號分子參與免疫耐受的調(diào)節(jié)，揭示了TGF-B誘導(dǎo)免疫耐受的分子機制。

4 IDO-1抑制劑

根據(jù)IDO-1的調(diào)節(jié)及效應(yīng)機制，以IDO-1為靶點的抑制劑可通過抑制IDO-1基因表達(dá)、抑制IDO-1活性及阻滯其效應(yīng)途徑發(fā)揮治療的作用。目前國內(nèi)外研究主要集中在以直接抑制IDO-1活性方面，如 D-1MT、NLG919 和 INCB024360 等[26]。 但是截至目前為止尚無IDO-1抑制劑作為腫瘤免疫療法藥物上市，目前已有3個IDO-1抑制劑 (D-1MT，INCB024360和NLG919)已經(jīng)進(jìn)入了臨床試驗階段，另外還有許多IDO-1抑制劑處于生物活性測試階段[27]。 Indoximod（D-1MT）是 New Link Genetics公司研發(fā)的最具代表性的色氨酸類似物，為IDO-1的競爭性抑制劑；目前剛進(jìn)入Ⅱ期臨床試驗階段，用于前列腺癌、乳腺癌、黑色素瘤、胰腺癌等多種腫瘤的治療。Epacadostat（INCB024360）是Incyte公司研發(fā)的N-羥基脒類IDO-1抑制劑，主要用于卵巢癌、黑素瘤和骨髓增生異常綜合征的治療；目前Epacadostat與Pembrolizumab聯(lián)用于轉(zhuǎn)移性黑素瘤的治療項目于2016年6月進(jìn)入Ⅲ期臨床研究階段。GDC-0919（NLG919）是Genentech公司研發(fā)的活性較好的IDO-1抑制劑，目前NLG919處于臨床Ⅰ期研究階段，用于復(fù)發(fā)性和進(jìn)行性實體瘤的治療[28]。

除了生物標(biāo)記和化學(xué)抑制劑的應(yīng)用之外，IDO-1可以通過基因組編輯工具的基因定位，為癌癥患者提供新的治療機會。在動物實驗中，對IDO-1表達(dá)的遺傳抑制重新激活了對IDO+癌細(xì)胞的抗腫瘤免疫反應(yīng)和抑制腫瘤生長[29]。例如，shIDO-ST治療是基于一種沙門氏菌（ST）載體，它編碼了一個針對IDO-1（shIDO）的小發(fā)卡RNA[30]。在小鼠的腫瘤組織中靜脈注射的shIDO-ST，引起了多形核中性粒細(xì)胞（pmn）的IDO-1的沉默和伴隨的浸潤和激活。pmn產(chǎn)生活性氧，為腫瘤細(xì)胞生長建立了高毒性的微環(huán)境[31]。

5 結(jié)語

目前在腫瘤免疫治療的研究中，PD-1/PD-L1抑制劑及CTLA-4抑制劑已經(jīng)成功上市，并在腫瘤治療中表現(xiàn)出強大的抗腫瘤效果，這使得腫瘤免疫治療備受重視。隨著對IDO-1在腫瘤免疫逃逸機制中的深入研究，IDO-1在腫瘤免疫調(diào)控中的機制不斷闡明，但還是有許多尚未解決及并不明朗的問題需進(jìn)一步探索研究，例如：①腫瘤細(xì)胞通過何種機制誘導(dǎo)自身IDO-1高表達(dá)并未十分明確；②L-Trp既是腫瘤細(xì)胞生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，也是免疫細(xì)胞增殖離不開的氨基酸，在腫瘤微環(huán)境中如何控制L-Trp的濃度，既能不供給腫瘤營養(yǎng)物質(zhì)又有利于免疫細(xì)胞發(fā)揮免疫抑制作用；③LTrp在血漿中有游離狀態(tài)和蛋白結(jié)合狀態(tài)，這兩者平衡的機制是什么，是否可以通過調(diào)控該平衡來減少腫瘤細(xì)胞對游離狀態(tài)L-Trp的利用而又不影響免疫細(xì)胞的增殖。只有探明IDO-1過表達(dá)的原因，才能從源頭更好的通過抑制IDO-1的表達(dá)達(dá)到抑制腫瘤生長的目的。相信在不久的將來IDO-1抑制劑必定會造福腫瘤患者。