色氨酸代謝在腫瘤免疫檢查點抑制劑治療中的意義及前景

高雅媚，王斌，李中信，賈漪濤

0 引言

免疫檢查點抑制劑（immune checkpoint inhibitors,ICIs）是繼手術(shù)、化療和放療之后腫瘤治療的一個新手段，已被批準(zhǔn)用于治療黑色素瘤、肺癌、結(jié)直腸癌、肝癌、頭頸部鱗狀細(xì)胞癌等[1]。盡管近年來ICIs在臨床應(yīng)用中取得了突破性進展，但多數(shù)患者并不能從ICIs單藥治療中獲益[1-2]。ICIs對各類腫瘤患者的總有效率僅20%～30%[3]。因此，臨床上迫切需要尋找提高ICIs療效的方法。色氨酸（tryptophan,Trp）是人體必需氨基酸，除了參與蛋白質(zhì)的合成，還是許多微生物和宿主代謝物的合成前體，同時也是免疫系統(tǒng)發(fā)揮作用的重要能量來源[4]。色氨酸代謝紊亂可導(dǎo)致免疫細(xì)胞的凋亡及功能障礙，有利于形成免疫抑制微環(huán)境，進而影響ICIs的療效[5]。此外，色氨酸代謝有三條途徑，其中最主要的是犬尿氨酸（kynurenine,kyn）途徑，95%以上的Trp經(jīng)由此通路進行代謝；剩余兩條途徑分別是5-羥色胺（5-hydroxytryptamine,5-HT）途徑及吲哚途徑[4-5]。近年來，靶向抑制Trp代謝以提高ICIs療效的研究主要集中于kyn途徑，并且已經(jīng)進入臨床試驗階段，而另外兩條代謝途徑即5-HT和吲哚途徑也正在成為研究的熱點。本文就這一領(lǐng)域的最新進展進行綜述。

1 Trp代謝

Trp代謝主要有三條通路：（1）犬尿氨酸通路：Trp首先被吲哚胺2,3雙加氧酶（indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO）和色氨酸2,3雙加氧酶（tryptophan-2,3-diocygenase,TDO）分解代謝成N-甲?；虬彼?，然后被芳犬尿氨酸甲酰胺酶（arylformamidase,AFMID）轉(zhuǎn)化為kyn，kyn再通過犬尿氨酸單加氧酶（kynurenine 3-monooxygenase,KMO）、犬尿氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（kynurenine amino transferases,KATs）及犬尿氨酸酶轉(zhuǎn)化為3-羥基犬尿酸（3-hydroxykynurenine,3-HK）、犬尿喹啉酸（kynurenic acid,KA）、3-羥基鄰氨基苯甲酸（3-hydroxyanthranilic acid,3-HAA）、喹啉酸（quinolinic acid,QA）、吡啶甲酸（picolinic acid,PA）、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）以及鄰氨基苯甲酸（anthranilic acid,AA）等代謝產(chǎn)物[5-7]；（2）5-HT通路：1%～2%的Trp在色氨酸羥化酶（tryptophan hydroxylase,TPH）的催化下轉(zhuǎn)化為5-羥色胺酸（5-hydroxytryptophan,5-HTP），再經(jīng)脫羧酶脫羧生成5-HT[5]。其中，TPH有兩種同工酶，即TPH1和TPH2。TPH1主要在腸嗜鉻細(xì)胞中表達(dá)，TPH2主要表達(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腸神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)細(xì)胞。因此，外周5-HT是由TPH1催化形成的[8]。研究發(fā)現(xiàn)，腸道中的微生物可以代謝Trp并促進5-HT生成，如乳桿菌屬和雙歧桿菌屬可以將Trp直接轉(zhuǎn)化為5-HT；干酪乳桿菌-327可以通過增加TPH1表達(dá)間接促進5-HT合成[9]；（3）經(jīng)上述兩條通路代謝之后，剩余的Trp被腸道微生物分解代謝為吲哚類衍生物，如梭狀芽孢桿菌將Trp轉(zhuǎn)化為色胺、吲哚乳酸（indole-3-lactic acid,ILA）和吲哚丙酸（indole-3-propionic Acid,IPA）；乳酸桿菌屬將Trp轉(zhuǎn)化為吲哚醛（indole-3-aldehyde,IAld）和ILA；消化鏈球菌屬則可將Trp代謝為吲哚丙烯酸（indole acrylic acid,IA）和IPA；擬桿菌屬和梭菌可以將Trp轉(zhuǎn)化為ILA和吲哚乙酸（indoleacetic acid,IAA），雙歧桿菌屬可將Trp代謝為ILA等[5,7]。

2 Trp代謝影響腫瘤免疫微環(huán)境

腫瘤免疫微環(huán)境主要包括多種腫瘤浸潤性免疫細(xì)胞如T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞、自然殺傷（natural killer,NK）細(xì)胞、骨髓來源的抑制性細(xì)胞（myeloid-derived suppressor cells,MDSCs）及多種細(xì)胞因子如轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β,TGF-β）、白細(xì)胞介素-10（IL-10）、IL-17等，并受到缺氧和pH值等多種因素的影響。Trp代謝過程中的某些關(guān)鍵酶與產(chǎn)物可以參與免疫調(diào)節(jié)，進而影響腫瘤免疫微環(huán)境，也是近年來研究的重點。

2.1 參與色氨酸代謝的關(guān)鍵酶

2.1.1 IDO IDO有兩種同工酶——IDO1和IDO2，其過表達(dá)與腫瘤的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切。IDO1可以加速腫瘤微環(huán)境中的Trp代謝，大量招募并激活MDSCs[10]。并且，隨著腫瘤微環(huán)境中的Trp被耗竭，T淋巴細(xì)胞、NK細(xì)胞等因能量缺乏而發(fā)生凋亡；同時，轉(zhuǎn)運Trp的tRNAs處于游離狀態(tài)，游離的tRNAs通過應(yīng)激激酶2（general control non-derepressible-2,GCN2）通路直接激活調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（regulatory cells,Tregs），并抑制效應(yīng)T淋巴細(xì)胞的增殖及抗原提呈細(xì)胞的功能[11-12]。因此，IDO1過表達(dá)可導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境處于嚴(yán)重的免疫抑制狀態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，IDO2 對Trp 的親和力遠(yuǎn)低于IDO1，且只在不足1%的腫瘤中表達(dá)[13]。其高表達(dá)可提高Tregs細(xì)胞的免疫抑制功能，激活B淋巴細(xì)胞并產(chǎn)生自身抗體，參與腫瘤免疫微環(huán)境的形成[14]。由于IDO2在免疫耐受中的作用機制尚未闡明，因此其對腫瘤免疫微環(huán)境的抑制作用還有待進一步探究。

2.1.2 TDO 雖然TDO與IDO1均可分解代謝Trp，但兩者之間也存在不同：（1）IDO1是單體酶，可耗竭局部微環(huán)境中的Trp；而TDO是一種血紅素四聚體蛋白，負(fù)責(zé)維持血液Trp的穩(wěn)態(tài)[13]；（2）生理狀態(tài)下，IDO1存在于大多數(shù)非肝臟組織，TDO則主要在肝臟中表達(dá)[15]；（3）IDO1受炎性細(xì)胞因子如干擾素-γ（interferon-γ,IFN-γ）、IL-6的調(diào)節(jié)，TDO的表達(dá)水平則受Trp、膽固醇以及脂質(zhì)代謝產(chǎn)物如前列腺素E2（prostaglandin E2,PGE2）等的調(diào)節(jié)[16]。

TDO可在多種腫瘤中表達(dá)，其過表達(dá)不僅會導(dǎo)致Trp減少，抑制效應(yīng)T淋巴細(xì)胞及NK細(xì)胞的增殖并促進其凋亡，還會誘導(dǎo)CD4+T淋巴細(xì)胞及樹突狀細(xì)胞分別向Tregs細(xì)胞及耐受性表型方向分化；此外TDO還可促進CD4+T淋巴細(xì)胞分泌IL-10、IL-17等細(xì)胞因子[17]。因此，TDO過表達(dá)與腫瘤免疫抑制微環(huán)境的形成密不可分。

2.1.3 犬尿氨酸酶 近年來，人們一直致力于研究通過抑制Trp分解代謝的第一步限速酶IDO和TDO進而阻止Trp耗竭及代謝產(chǎn)物kyn生成以達(dá)到治療腫瘤的目的，而對以kyn為底物的酶研究較少。

有研究顯示，在以kyn 為底物的三種酶（KMO、KAT、犬尿氨酸酶）中，只有犬尿氨酸酶具有生物化學(xué)和藥理學(xué)特性，可以作為體內(nèi)給藥的候選藥物。犬尿氨酸酶可以分解代謝kyn，減輕其對免疫細(xì)胞的抑制作用，而KMO、KAT主要在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)[18]。目前關(guān)于KMO、KAT在腫瘤方面作用的研究鮮有報道，因此犬尿氨酸酶對改善腫瘤免疫抑制微環(huán)境具有重要作用。

2.1.4 其他 目前，尚不清楚5-HT通路中的代謝酶TPH1、TPH2以及脫羧酶在腫瘤中的表達(dá)情況及其意義。資料表明，TPH1可在耐受型肥大細(xì)胞中高表達(dá)，并且與野生型小鼠相比，TPH1基因敲除小鼠的移植瘤生長緩慢[19]。理論上，TPH分解代謝Trp可導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境中Trp減少，對維持腫瘤免疫抑制性微環(huán)境有一定促進作用。

2.2 色氨酸代謝產(chǎn)物

2.2.1 kyn通路中的代謝產(chǎn)物 芳香烴受體（aryl hydrocarbon receptor,AhR）是配體依賴性轉(zhuǎn)錄因子，與配體結(jié)合后進入細(xì)胞核，再與其他轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同作用調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄。kyn通路中的代謝產(chǎn)物kyn及其下游代謝產(chǎn)物KA是AhR的內(nèi)源性激動劑，它們通過與AhR結(jié)合不僅可以促進炎性細(xì)胞因子IFN-γ、IL-6和脂質(zhì)代謝產(chǎn)物PGE2的產(chǎn)生；更重要的是，還可以增強IDO1和TDO2的活性，介導(dǎo)腫瘤微環(huán)境的免疫抑制作用[16]。同時，kyn還可通過激活A(yù)hR促進Tregs、免疫耐受性樹突狀細(xì)胞的增殖，從而抑制抗腫瘤免疫反應(yīng)[20]。因此，kyn可以明顯抑制腫瘤免疫微環(huán)境。另有研究證實，3-HK、3-HAA、QA和PA對免疫功能也具有調(diào)節(jié)作用，3-HK和3-HAA通過凋亡機制抑制T細(xì)胞增殖，QA和PA可以激活免疫細(xì)胞的轉(zhuǎn)導(dǎo)信號[21]。此外，代謝產(chǎn)物NAD+作為一種可提升DNA損傷修復(fù)能力的輔酶，對T細(xì)胞功能的維持也具有至關(guān)重要的作用[22]。

因此，盡管kyn通路中的部分Trp代謝產(chǎn)物對腫瘤免疫微環(huán)境的形成既有抑制作用又有促進效果，但它們均是kyn分解代謝后的產(chǎn)物，而kyn對腫瘤免疫微環(huán)境產(chǎn)生了明顯的抑制作用。因此，抑制kyn的形成仍然是近年來抗腫瘤藥物研究的重點。

2.2.2 5-HT 5-HT是一種生物源性單胺類物質(zhì)，通過作用于細(xì)胞表面的5-HT受體發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。近年來研究表明，5-HT及其受體途徑與腫瘤關(guān)系密切，該途徑在腫瘤中的作用主要表現(xiàn)在：（1）既可以促進腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲，誘導(dǎo)血管形成，還可以抑制腫瘤細(xì)胞增殖、收縮腫瘤血管[23]；（2）既可以促進炎性環(huán)境中腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α,TNF-α）、IL-1β、IL-6和INF-γ的釋放，還可以抑制TNF-α和IL-1β的產(chǎn)生[24-25]；（3）既可以介導(dǎo)中性粒細(xì)胞募集、T淋巴細(xì)胞的增殖與活化以及增強NK細(xì)胞的功能，還可以誘導(dǎo)T淋巴細(xì)胞向免疫抑制型細(xì)胞分化[24,26]。因此，5-HT對腫瘤免疫微環(huán)境的影響還有待進一步研究。

2.2.3 吲哚類物質(zhì) Trp在腸道微生物的作用下可產(chǎn)生許多吲哚類衍生物，部分吲哚類衍生物可通過作用于腸道免疫細(xì)胞中的AhR從而影響免疫調(diào)節(jié)，如IAld可誘導(dǎo)NK細(xì)胞分泌IL-22[7,27]；IA可增強被脂多糖刺激后的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IL-10的能力，減少健康者外周血單核細(xì)胞的IL-6和IL-1β的分泌量[28]；色胺可誘導(dǎo)腸嗜鉻細(xì)胞合成并釋放5-HT[7]。此外，某些吲哚類衍生物還可以被腸上皮細(xì)胞吸收并進入血液循環(huán)，其中IPA和IA具有抗氧化和抗炎作用[7]。

由此可見，靶向抑制色氨酸代謝的某些環(huán)節(jié)或途徑有望重塑腫瘤免疫微環(huán)境，不僅可能改善腫瘤內(nèi)的免疫狀態(tài)，還可能提高免疫檢查點抑制劑的療效，這已成為近年來的研究熱點。

3 抑制Trp代謝以提高ICIs療效的研究

ICIs主要包括抗程序性死亡受體1（programmed cell death-1,PD-1）抑制劑、抗程序性死亡配體1（programmed cell death-Ligand 1,PD-L1）抑制劑、細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞抗原-4（cytotoxic T lymphocyte antigen-4,CTLA-4）抑制劑。目前，靶向Trp代謝以提高ICIs療效的研究主要集中在IDO、TDO及犬尿氨酸酶，并已經(jīng)在黑色素瘤、肺癌、肝癌、結(jié)直腸癌的治療中取得了一些重要進展，顯示出較好的應(yīng)用前景，見表1。

表1 Trp代謝在腫瘤ICIs治療中的應(yīng)用Table 1 Application of tryptophan metabolism in treatment of tumor immune checkpoint inhibitors

3.1 黑色素瘤

PD-1抑制劑納武單抗（nivolumab）和派姆單抗（pembrolizumab）以及CTLA-4抑制劑伊匹單抗（ipilimumab）已成為治療晚期黑色素瘤的一線用藥，但PD-1抑制劑以及CTLA-4抑制劑治療黑色素瘤的有效率分別為33%～40%和10%[28]。研究證實，黑色素瘤患者在使用PD-1抑制劑后，可加速體內(nèi)Trp分解代謝為kyn，而血清kyn/Trp比值的增加與患者的總生存期呈負(fù)相關(guān)[29]。此外，在納入了706例晚期黑色素瘤患者的Ⅲ期臨床雙盲隨機對照試驗（ECHO-301）中，IDO1抑制劑epacadostat聯(lián)合派姆單抗因不能延長患者的無進展生存期或總生存期，并產(chǎn)生了較重的不良反應(yīng)而提前終止[30]。目前，IDO抑制劑indoximod聯(lián)合PD-1抑制劑或CTLA-4抑制劑治療晚期黑色素瘤的研究正處于Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗階段。最新的一項研究發(fā)現(xiàn)，黑色素瘤各亞型之間的IDO表達(dá)量不盡相同，肢端型和黏膜型黑色素瘤中IDO表達(dá)量低于皮膚黑色素瘤[31]。因此，在不同亞型黑色素瘤患者中，應(yīng)根據(jù)IDO表達(dá)水平來探討ICIs與IDO抑制劑的精準(zhǔn)聯(lián)合。

臨床資料顯示，TDO在葡萄膜黑色素瘤的腫瘤細(xì)胞及其肝轉(zhuǎn)移組織中的表達(dá)量相對較高，提示TDO過表達(dá)可能是免疫治療耐藥的機制之一[32]。聚乙二醇化犬尿氨酸酶（PEGylated kynureninase,PEG-KYNase）是經(jīng)過人工優(yōu)化的犬尿氨酸酶，可顯著抑制小鼠黑色素瘤的生長。而且與單用PD-1抑制劑相比，PEG-KYNase與PD-1抑制劑聯(lián)合治療可提高應(yīng)答率35%。小鼠獲得了長期的腫瘤排斥反應(yīng)能力[18]。因此，TDO抑制劑及PEG-KYNase與ICIs聯(lián)合應(yīng)用治療黑色素瘤具有潛在的臨床應(yīng)用價值。

3.2 肺癌

雖然ICIs在肺癌治療中取得了一定療效，但仍面臨耐藥等許多挑戰(zhàn)。小細(xì)胞肺癌患者的血清中kyn濃度和IDO活性均顯著高于健康人群。此外，IDO在人非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞中也呈高表達(dá)，血漿中的IDO水平還可反映非小細(xì)胞肺癌患者接受納武單抗治療后的臨床獲益程度[33]。與野生型小鼠相比，IDO2基因敲除的小鼠肺癌移植瘤生長更為緩慢，并同時伴隨著腫瘤微環(huán)境中Trp增多、kyn減少以及腫瘤組織中IFN-γ含量的升高[34]。目前，IDO1抑制劑epacadostat聯(lián)合派姆單抗，以及IDO1抑制劑BMS-986205聯(lián)合納武單抗治療肺癌的研究正處于Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗階段，結(jié)果值得關(guān)注。

TDO在肺癌相關(guān)成纖維細(xì)胞中過表達(dá)，并且TDO抑制劑能顯著改善樹突狀細(xì)胞及T細(xì)胞的免疫功能，抑制肺癌移植瘤的生長和轉(zhuǎn)移[35]。研究顯示，與IDO1抑制劑相比，IDO/TDO雙靶點抑制劑不僅能促進T細(xì)胞的增殖，還可以明顯抑制肺癌移植瘤的生長，降低kyn/Trp的比值[36]。因此，TDO抑制劑、IDO/TDO雙靶點抑制劑在肺癌的治療中具有重要意義，其與ICIs的聯(lián)合應(yīng)用可能為肺癌患者提供一個新的治療手段。

3.3 肝癌

長期以來，細(xì)胞毒性藥物甚至靶向藥物在肝癌中的療效都不令人滿意。研究發(fā)現(xiàn)，IDO1、TDO、AhR的表達(dá)與肝癌患者的總體生存率均呈負(fù)相關(guān)[37]。目前，IDO或TDO抑制劑在肝癌治療中的研究甚少。研究顯示，在肝癌荷瘤小鼠中，IDO抑制劑可通過升高IL-12、IFN-γ水平，增加腫瘤浸潤性T細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的數(shù)量而抑制腫瘤生長[38]。Brown等發(fā)現(xiàn)IDO抑制劑聯(lián)合CTLA-4抑制劑或PD-1抑制劑與任一單藥治療組（IDO抑制劑、CTLA-4抑制劑或PD-1抑制劑）相比，均能夠更明顯地抑制肝癌移植瘤生長[39]。另外，含有小分子TDO抑制劑的配合物可以增強T細(xì)胞免疫功能，并通過線粒體依賴性凋亡途徑促進肝癌細(xì)胞的死亡，具有顯著的抗腫瘤活性[40]。研究證實，與IDO抑制劑相比，IDO/TDO雙靶點抑制劑對肝癌移植瘤的抑制作用更為明顯，可以升高小鼠血清中Trp水平，減少kyn水平，使kyn/Trp的比值顯著降低[36]。因此，IDO、TDO抑制劑及IDO/TDO雙靶點抑制劑可抑制肝癌移植瘤的生長，其與ICIs的聯(lián)合應(yīng)用具有重要的臨床應(yīng)用前景。

3.4 結(jié)直腸癌

迄今，PD-1抑制劑僅被推薦用于治療高度微衛(wèi)星不穩(wěn)定性或錯配修復(fù)基因缺失的晚期結(jié)直腸癌患者，即使在這部分人群中，有效率也只有30%[41]。Venkateswaran等發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸癌組織中的kyn水平高于正常結(jié)腸組織，并與IDO1、TDO和AFMID的過表達(dá)呈正相關(guān)[7]。但也有研究表明，kyn通路中的終末代謝產(chǎn)物8-羥基喹啉酸（8-Hydroxyquinoline Acid）可以阻礙結(jié)腸癌細(xì)胞的線粒體活性及DNA合成并抑制結(jié)腸癌細(xì)胞HT-29和LS-180的增殖和遷移[42]。因此，IDO、TDO抑制劑在結(jié)直腸癌的療效有待進一步證實。

動物實驗證實，相較于單用IDO1抑制劑，IDO1/TDO雙靶點抑制劑在較大劑量（80 mg/kg）下對結(jié)直腸癌移植瘤具有更強的抗腫瘤效果[43]。另有研究表明，與TDO抑制劑或PD-1抑制劑單藥相比，TDO抑制劑聯(lián)合PD-1抑制劑明顯抑制了結(jié)直腸癌移植瘤的生長；此外，PEG-KYNase和PD-1抑制劑聯(lián)合治療的小鼠腫瘤體積明顯小于對照組及單藥治療組，且PEG-KYNase比IDO1抑制劑更能提高PD-1抑制劑的療效[18]。因此，TDO抑制劑和PEG-KYNase與免疫檢查點抑制劑聯(lián)合應(yīng)用具有廣闊的臨床應(yīng)用價值。目前，IDO1抑制劑epacadostat與派姆單抗用于高度微衛(wèi)星不穩(wěn)定性結(jié)直腸癌的研究正處于Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗招募階段。

4 問題與展望

Trp代謝參與形成腫瘤免疫抑制微環(huán)境，與ICIs的療效密不可分。理論上，抑制Trp代謝的關(guān)鍵酶IDO、TDO以及犬尿氨酸酶可以提高ICIs的療效，具有重要的潛在臨床應(yīng)用價值。但這一策略仍面臨許多挑戰(zhàn)：（1）目前許多抑制Trp代謝的IDO、TDO抑制劑仍處于研發(fā)階段，一些臨床前研究并未取得預(yù)期治療效果甚至還產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的不良反應(yīng)；（2）完全阻斷Trp代謝可能會產(chǎn)生一系列的不良反應(yīng)，包括Trp濃度顯著升高、kyn下游代謝產(chǎn)物包括起神經(jīng)保護作用及對腫瘤生長具有抑制作用的化合物減少，這反過來可能會促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展；（3）目前提高ICIs的療效研究集中于kyn通路，對其他兩條通路的研究甚少；（4）尚未對Trp代謝與其他代謝如氨基酸代謝糖代謝或脂代謝途徑進行橫向比較，以尋找更為合適的靶向代謝途徑。因此，研發(fā)更加有效的lDO抑制劑、探索IDO/TDO雙靶點阻斷方法，研究靶向Trp代謝的另外兩條途徑等將是未來的研究方向。