腫瘤微環(huán)境的理論及治療進(jìn)展

鄒子驊綜述，李峻嶺審校

國(guó)家癌癥中心/國(guó)家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院腫瘤內(nèi)科，北京 100021

腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment，TME）最早由Ioannides和Whiteside[1]提出，其定義為腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中所處的局部生物環(huán)境，可為腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)提供支架和屏障，產(chǎn)生免疫豁免區(qū)域，從而為腫瘤的發(fā)生、發(fā)展提供“溫床”。隨著對(duì)TME研究的深入，腫瘤學(xué)界越來越重視TME在腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中的作用。歸納起來，TME主要有以下三方面重要作用[2]：①為腫瘤提供生長(zhǎng)環(huán)境；②可削弱抗腫瘤藥物的作用；③局部免疫應(yīng)答呈免疫抑制狀態(tài)，輔助腫瘤細(xì)胞逃避免疫監(jiān)視。鑒于TME的重要地位，TME在未來的科學(xué)研究領(lǐng)域和腫瘤治療領(lǐng)域中具有巨大價(jià)值。本文介紹TME的組成成分，并對(duì)TME的各組分在腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中的作用及TME相關(guān)的治療進(jìn)展進(jìn)行概述。

1 TME 的構(gòu)成及各組分的作用

TME由細(xì)胞成分、物理組分和生化組分構(gòu)成。細(xì)胞成分又稱為基質(zhì)細(xì)胞，主要包括內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞。物理組分指細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）。生化組分主要包括細(xì)胞因子、黏附分子、生長(zhǎng)因子、氧氣和pH[3]。

1.1 氧氣、pH 和內(nèi)皮細(xì)胞

在腫瘤早期增殖階段，由于腫瘤生長(zhǎng)部位的局部供血速度短于腫瘤細(xì)胞增殖的速度，腫瘤處于乏氧的環(huán)境。乏氧環(huán)境可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞釋放缺氧誘導(dǎo)因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）[4]。HIF-1可促使腫瘤細(xì)胞釋放血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）等血管生成因子從而啟動(dòng)腫瘤血管形成的過程。腫瘤血管形成與生理狀態(tài)下的血管形成并不相同。生理狀態(tài)下，血管旁支持細(xì)胞如周細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞分泌的血管生成素-1（angiopoietin-1，Ang-1）可與內(nèi)皮細(xì)胞特異性酪氨酸激酶受體-2（tyrosine kinase with immunoglobulin-like and epidermal growth factor homology domain，Tie-2）結(jié)合，從而調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞之間、內(nèi)皮細(xì)胞與血管外膜細(xì)胞之間的相互作用，促進(jìn)血管成熟，并維持血管正常的有序結(jié)構(gòu)。但腫瘤細(xì)胞分泌血管生成素-2（angiopoietin-2，Ang-2），它可與Ang-1競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合Tie-2，而Ang-2與Tie-2的結(jié)合并不能引起后續(xù)信號(hào)通路的正常激活[5-6]，因此，腫瘤新生血管具有結(jié)構(gòu)排列紊亂、血管壁不完整、血管壁不連續(xù)的特點(diǎn)[7]，從而進(jìn)一步加重局部乏氧狀態(tài)，并嚴(yán)重影響抗腫瘤藥物的投遞。在乏氧狀態(tài)下，腫瘤細(xì)胞的主要代謝形式為糖酵解，糖酵解產(chǎn)生的乳酸等酸性物質(zhì)可通過氫離子的形式被腫瘤細(xì)胞的質(zhì)子泵排出細(xì)胞內(nèi)，可進(jìn)一步加重TME的局部酸化狀態(tài)，而這種酸性條件并不利于免疫殺傷細(xì)胞的存活[8]。由此，免疫殺傷細(xì)胞在乏氧、酸化的環(huán)境下無法充分發(fā)揮其活性。此外，HIF-1還可啟動(dòng)P糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）耐藥基因的轉(zhuǎn)錄，促使腫瘤細(xì)胞外排抗腫瘤藥物而降低細(xì)胞內(nèi)的藥物濃度。

1.2 成纖維細(xì)胞和ECM

TME中的成纖維細(xì)胞又稱腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞（cancer associated fibroblast，CAF）。一方面，CAF可分泌膠原、纖連蛋白、彈性蛋白，構(gòu)成ECM，為腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)提供支架和屏障（屏障可理解為ECM形成的高間質(zhì)壓力影響抗腫瘤藥物的投遞以及免疫殺傷細(xì)胞的聚集，削弱藥物和免疫系統(tǒng)對(duì)腫瘤細(xì)胞的攻擊）[9]；另一方面，CAF分泌生長(zhǎng)因子或細(xì)胞因子[10]，如肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子（hepatocyte growth factor，HGF）、VEGF、血小板源性生長(zhǎng)因子（platelet-derived growth factor，PDGF）、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β），從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)，加重局部免疫抑制狀態(tài)或降低腫瘤細(xì)胞對(duì)藥物的敏感性。CAF在腫瘤耐藥中發(fā)揮著重要的作用，如CAF產(chǎn)生的HGF可激活絲裂原激活蛋白激酶（mitogen-activation protein kinase，MAPK）/胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）信號(hào)通路，而這種旁路的激活可導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞對(duì)鼠類肉瘤濾過性毒菌致癌同源體 B1（v-raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1，BRAF）抑制劑或表皮生長(zhǎng)因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）抑制劑的敏感性降低[11]；如化療或放療引起的CAF相關(guān)的DNA損傷，可促使CAF進(jìn)入衰老的狀態(tài)，在此種衰老的狀態(tài)下，CAF可分泌大量的生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子從而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞啟動(dòng)抗腫瘤細(xì)胞凋亡通路及DNA修復(fù)，從而增強(qiáng)腫瘤對(duì)放化療的抵抗[12]。

1.3 免疫抑制細(xì)胞和其他免疫抑制機(jī)制

TME中存在大量的免疫細(xì)胞，這些免疫細(xì)胞可進(jìn)一步劃分為與腫瘤殺傷相關(guān)的免疫殺傷細(xì)胞和與腫瘤逃避免疫監(jiān)視相關(guān)的免疫抑制細(xì)胞。免疫抑制細(xì)胞主要包括腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（tumor-associated macrophage，TAM）、髓源性抑制細(xì)胞（myeloid-derived suppressor cell，MDSC）和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（regulatory T cell，Treg）。TAM可分為經(jīng)典活化的M1型和選擇性活化的M2型巨噬細(xì)胞兩種極化類型，其中，M1型巨噬細(xì)胞可促進(jìn)腫瘤抗原的呈遞，而M2型巨噬細(xì)胞通過分泌白細(xì)胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、白細(xì)胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、TGF-β等免疫炎癥介質(zhì)從而抑制免疫殺傷細(xì)胞的活性[13-14]。MDSC包括不成熟的樹突細(xì)胞、不成熟的粒細(xì)胞和不成熟的巨噬細(xì)胞，它們通過分泌精氨酸酶-1從而降解精氨酸為鳥氨酸和尿素，而精氨酸是T細(xì)胞完成細(xì)胞周期所必須的化學(xué)物質(zhì)，因此，MDSC可通過阻止細(xì)胞周期的完成從而抑制T細(xì)胞的活性[15-16]。Treg同樣也在腫瘤逃避免疫監(jiān)視的過程中發(fā)揮重要作用，一方面其可通過分泌 TGF-β、白細(xì)胞介素-10（interleukin-10，IL-10）從而抑制免疫殺傷細(xì)胞的活性，另一方面其可下調(diào)樹突細(xì)胞共刺激分子的表達(dá)從而減少效應(yīng)T細(xì)胞的激活[17-18]。TME中除了免疫抑制細(xì)胞參與局部免疫抑制狀態(tài)的形成外，其他信號(hào)分子或蛋白亦可參與腫瘤逃避免疫監(jiān)視的過程。程序性死亡受體 1（programmed cell death 1，PDCD1，也稱PD-1）/程序性死亡受體配體 1（programmed cell death 1 ligand 1，PDCD1LG1，也稱 PD-L1）信號(hào)通路在正常情況下是機(jī)體維持外周免疫耐受的重要機(jī)制，但在腫瘤內(nèi)部，免疫炎癥介質(zhì)可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞上調(diào)PD-L1的表達(dá)從而幫助腫瘤逃避免疫殺傷細(xì)胞的攻擊[19-20]。此外，腫瘤細(xì)胞在遭受免疫系統(tǒng)攻擊時(shí)可釋放吲哚胺2，3-雙加氧酶（indoleamine 2,3-dioxygenase，IDO），IDO可使TME處于色氨酸“饑餓”的狀態(tài)，從而促使色氨酸依賴的T細(xì)胞合成停滯于G1期，另外，色氨酸的代謝產(chǎn)物犬尿酸亦可對(duì)T細(xì)胞產(chǎn)生毒性殺傷作用[21-22]。由此可見，IDO的釋放與局部免疫炎癥信號(hào)有關(guān)，是一種繼發(fā)的免疫負(fù)向調(diào)節(jié)機(jī)制。

1.4 外泌體

在腫瘤內(nèi)部，外泌體是腫瘤細(xì)胞釋放的一種功能性雙層膜結(jié)構(gòu)，可攜帶蛋白、細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子、微小RNA（microRNA，miRNA）等物質(zhì)，不需要其他細(xì)胞表達(dá)相應(yīng)受體即可完成細(xì)胞與細(xì)胞之間的信號(hào)傳遞，因此，其在腫瘤細(xì)胞與TME的通訊中發(fā)揮重要的作用[23-25]。外泌體的生物學(xué)作用與其攜帶的信號(hào)分子密切相關(guān)。外泌體通過向腫瘤周圍的正常細(xì)胞傳遞增殖信號(hào)從而誘導(dǎo)其發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化。外泌體亦可降低腫瘤細(xì)胞間連接分子的表達(dá)，使腫瘤細(xì)胞的黏附能力減弱和侵襲能力增強(qiáng)[23-25]。同時(shí)，外泌體亦可通過攜帶生長(zhǎng)因子或免疫炎癥介質(zhì)從而參與腫瘤新生血管生成、重塑ECM、抑制免疫殺傷細(xì)胞活性等多個(gè)腫瘤生物學(xué)過程[23-25]。此外，腫瘤也可通過外泌體將抗腫瘤藥物排出細(xì)胞外。但由于外泌體在正常細(xì)胞之間也扮演著“通訊信使”的角色，因此，目前針對(duì)腫瘤相關(guān)外泌體的治療仍存在難度[23-25]。

2 針對(duì)TME的治療

2.1 針對(duì)乏氧、酸化狀態(tài)及腫瘤血管正?；闹委?/h3>

腫瘤局部乏氧狀態(tài)促進(jìn)腫瘤新生血管的生成，而雜亂無序的新生血管結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加重了腫瘤局部的乏氧狀態(tài)，造成惡性循環(huán)，而乏氧、酸性的環(huán)境不利于抗腫瘤藥物和免疫殺傷細(xì)胞發(fā)揮作用。而抗腫瘤血管生成藥物可輔助修剪、正常化腫瘤血管，改善腫瘤血流灌注和局部乏氧的情況，從而促進(jìn)抗腫瘤藥物的投遞和免疫殺傷細(xì)胞的活性。目前，臨床上的抗血管生成藥物主要包括VEGF/血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體（vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR）的單克隆抗體（如貝伐珠單抗、雷莫蘆單抗）、VEGFR的酪氨酸激酶抑制劑（如呋喹替尼、阿帕替尼）和多靶點(diǎn)酪氨酸激酶抑制劑（如瑞戈非尼、索拉非尼、帕唑帕尼）。這些抗血管生成藥物已在肺癌、消化道腫瘤、腎癌、軟組織肉瘤等多種惡性腫瘤中得到廣泛應(yīng)用[26]，但目前抗血管生成藥物的臨床應(yīng)用仍面臨很大挑戰(zhàn)，如抗血管生成藥物耐藥、抗血管生成藥物的不良反應(yīng)以及抗血管生成藥物在其他腫瘤中的應(yīng)用均是臨床上棘手的問題，未來還有待腫瘤學(xué)界進(jìn)一步研究。除正?；[瘤血管外，腫瘤學(xué)家正嘗試采用更直接的方法改善TME乏氧、酸化的狀態(tài)，如二甲雙胍可通過降少腫瘤細(xì)胞的耗氧，改善腫瘤細(xì)胞供氧與耗氧的平衡，從而達(dá)到減少HIF-1釋放的目的[27]；質(zhì)子泵抑制劑、碳酸酐酶抑制劑可通過減少TME中氫離子的生成從而改善TME的酸化狀態(tài)[28-29]。但這些藥物目前僅在動(dòng)物模型中表現(xiàn)出一定的效用，未來仍需臨床試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 改善局部免疫抑制狀態(tài)的治療

腫瘤局部免疫抑制狀態(tài)是腫瘤逃避機(jī)體免疫監(jiān)視的根本原因。因此，通過改善腫瘤局部免疫抑制狀態(tài)從而增加機(jī)體免疫系統(tǒng)對(duì)腫瘤的識(shí)別和殺傷是目前研究的熱點(diǎn)。隨著人們對(duì)腫瘤免疫抑制機(jī)制認(rèn)識(shí)的不斷深入，免疫治療已成為人類治療腫瘤的重要手段。目前，免疫檢查點(diǎn)抑制劑（immunecheckpoint inhibitor，ICI）在腫瘤的免疫治療中應(yīng)用最廣泛，隨著PD-1單抗/PD-L1單抗等的問世，腫瘤患者的生存期明顯延長(zhǎng)。目前，ICI已獲批應(yīng)用于惡性黑色素瘤、肺癌、胃癌、霍奇金淋巴瘤、腎癌、泌尿上皮惡性腫瘤等多種惡性腫瘤[19-20]。另外，針對(duì)TAM、MDSC的治療亦具有一定的臨床應(yīng)用前景。巨噬細(xì)胞集落刺激因子1（macrophage colony-stimulating factor 1，CSF1）通過與 TAM 或MDSC表面的巨噬細(xì)胞集落刺激因子1受體（macrophage colony-stimulating factor 1 receptor，CSF1R）結(jié)合，可招募TAM和MDSC至腫瘤區(qū)域，因此，阻斷CSF1/CSF1R通路亦可改善腫瘤局部的免疫抑制狀態(tài)[30-31]。目前，CSF1R抑制劑Pexidartinib已經(jīng)獲批應(yīng)用于腱鞘巨細(xì)胞瘤（其發(fā)病機(jī)制：滑膜細(xì)胞存在CSF1染色體易位，造成CSF1持續(xù)過量表達(dá)，從而招募過多巨噬細(xì)胞導(dǎo)致組織增生）的治療。Pexidartinib治療其他實(shí)體腫瘤的臨床研究也正在進(jìn)行中（NCT01525602，Ⅰ期）。

需要注意的是，腫瘤局部免疫抑制狀態(tài)的形成需要多種免疫抑制細(xì)胞及信號(hào)分子、蛋白的參與，因此，僅針對(duì)某一環(huán)節(jié)進(jìn)行阻斷并不能充分改善腫瘤局部的免疫抑制狀態(tài)，但從目前的研究進(jìn)展看，單純地將不同的治療方法相疊加并不一定能得到1+1＞2的效果。ECHO-301研究證實(shí)了這一點(diǎn)，此項(xiàng)Ⅲ期臨床研究比較了IDO抑制劑Epacadostat聯(lián)合Pembrolizumab（聯(lián)合治療組）與單藥Pembrolizumab（單藥組）治療晚期黑色素瘤的療效，結(jié)果顯示，聯(lián)合治療組較單藥組未能延長(zhǎng)患者的無進(jìn)展生存期[32]。但是，近年來，ICI聯(lián)合抗血管生成治療為腫瘤微環(huán)境的重塑提供了新的方向。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，VEGF可從不同水平參與腫瘤免疫調(diào)節(jié)：①VEGF促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)Fas與其配體Fas-L結(jié)合，激活細(xì)胞凋亡通路，從而導(dǎo)致CD8+T細(xì)胞凋亡；②抑制抗原呈遞細(xì)胞的成熟；③抑制效應(yīng)T細(xì)胞的成熟，促進(jìn)Treg細(xì)胞的分化與增殖；④促進(jìn)MDSC的招募[33-36]。因此，抗血管生成治療聯(lián)合ICI在改善腫瘤局部免疫抑制狀態(tài)方面有協(xié)同作用。而這一協(xié)同作用在IMpower 150研究中得到了有利印證，化療+抗血管生成治療+ICI方案可使肝轉(zhuǎn)移的晚期非鱗狀NSCLC患者的生存期顯著延長(zhǎng)。肝臟是免疫豁免器官，因此，肝臟轉(zhuǎn)移瘤不易誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答，肝轉(zhuǎn)移是免疫單抗治療惡性腫瘤的不良預(yù)后因素。而在IMpower 150研究中ICI聯(lián)合抗血管生成治療在肝轉(zhuǎn)移患者的療效[37]證明從多水平改善腫瘤局部免疫抑制狀態(tài)可顯著提高機(jī)體對(duì)腫瘤的免疫應(yīng)答。因此，腫瘤復(fù)雜的免疫抑制機(jī)制使免疫治療面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如何更好地通過免疫療法聯(lián)合多種抗腫瘤藥物改善腫瘤的免疫抑制狀態(tài)并抓住腫瘤免疫抑制的核心機(jī)制是未來研究的重點(diǎn)。

2.3 針對(duì)ECM和CAF 的治療

CAF分泌膠原、纖連蛋白、彈性蛋白等構(gòu)成ECM，而ECM形成的高間質(zhì)壓影響抗腫瘤藥物的投遞和免疫殺傷細(xì)胞的聚集，削弱藥物和免疫系統(tǒng)對(duì)腫瘤細(xì)胞的攻擊，因此，針對(duì)CAF和ECM的治療可有效破壞腫瘤的生長(zhǎng)支架和屏障，有利于抗腫瘤藥物和免疫殺傷細(xì)胞發(fā)揮作用[9]。成纖維細(xì)胞活化蛋白（fibroblasts activation protein，F(xiàn)AP）是CAF表達(dá)的特異性標(biāo)志物，不表達(dá)于正常組織的成纖維細(xì)胞，因此，理論上，針對(duì)FAP的靶向治療具有良好的應(yīng)用前景[38]，但很遺憾針對(duì)FAP的單克隆抗體Sibrotuzumab在Ⅰ、Ⅱ期臨床研究中并未取得很好的結(jié)果。而目前針對(duì)ECM的治療，較有應(yīng)用前景的藥物是聚乙二醇化的重組人透明質(zhì)酸酶（PEGylated recombinant human hyaluronidase，PEGPH20）。PEGPH20可減少腫瘤周圍組織中透明質(zhì)酸的含量而降低間質(zhì)壓力。一項(xiàng)Ⅱ期臨床研究結(jié)果顯示，PEGPH20聯(lián)合白蛋白紫杉醇和吉西他濱可使晚期胰腺癌患者的無進(jìn)展生存期為6個(gè)月，而透明質(zhì)酸高表達(dá)患者的無進(jìn)展生存期可達(dá)9.2個(gè)月[39]。胰腺癌組織以高間質(zhì)壓為特點(diǎn)，嚴(yán)重影響抗腫瘤藥物的投遞，因此，透明質(zhì)酸酶的作用迫切需要在后續(xù)的臨床研究中得到確認(rèn)。當(dāng)然，在關(guān)注如何降低間質(zhì)壓而促進(jìn)抗腫瘤藥物的投遞時(shí)，也不能忽視一個(gè)重要的問題：腫瘤細(xì)胞也有可能利用低間質(zhì)壓環(huán)境完成侵襲和轉(zhuǎn)移的過程。由此，腫瘤學(xué)界也嘗試從增加組織屏障這一方面抑制腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移的過程?；|(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）在腫瘤的進(jìn)展中發(fā)揮重要作用，其主要由腫瘤細(xì)胞分泌，但在腫瘤細(xì)胞的誘導(dǎo)下，TME中的間質(zhì)細(xì)胞亦可分泌MMP，MMP可水解膠原蛋白、蛋白多糖等大部分ECM，使腫瘤的天然屏障發(fā)生改變，導(dǎo)致腫瘤向周圍組織浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移[40]。因此，曾有學(xué)者研發(fā)MMP抑制劑，但很遺憾多種MMP抑制劑在針對(duì)軟組織肉瘤、乳腺癌等多種實(shí)體腫瘤中并未展現(xiàn)出令人滿意的效果。因此，基于CAF和ECM復(fù)雜的生物學(xué)機(jī)制，目前臨床上尚未有針對(duì)性的治療手段。

3 小結(jié)與展望

TME參與腫瘤的生長(zhǎng)、侵襲、轉(zhuǎn)移、新血管生成、免疫逃逸、腫瘤藥物耐藥等多個(gè)重要生物學(xué)過程。但目前針對(duì)TME的研究尚處于起步階段，TME各組成成分間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，相互協(xié)調(diào)，相互促進(jìn)，未來如何從多個(gè)層面改善TME和把握TME的核心機(jī)制是未來研究的重點(diǎn)。同時(shí)，目前大部分針對(duì)TME的研究還處于體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及早期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，仍需更多的活體實(shí)驗(yàn)或臨床試驗(yàn)證明其機(jī)制理論的準(zhǔn)確性，更關(guān)鍵的是，即使人們可以進(jìn)一步闡釋TME的機(jī)制，針對(duì)TME藥物的研發(fā)同樣也很困難，因?yàn)槟壳吧胁荒芙⑴c體內(nèi)TME相似的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，因此，建立與體內(nèi)TME相似程度極高的模型尤其是可以模擬TME各組分功能的模型也是未來研究的重要方向。