腫瘤相關巨噬細胞在腫瘤放射治療中的研究進展

吳卓超，黃朝暉

0 引言

腫瘤的發(fā)生發(fā)展不僅受腫瘤細胞本身控制，還與其所處的特定環(huán)境，即腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment,TME）密切相關。TME是由腫瘤細胞、免疫細胞、間質細胞、微血管及腫瘤組織局部生物分子等共同組成。腫瘤相關巨噬細胞（tumor associated macrophage,TAM）是TME中數(shù)量最多的免疫細胞之一，可以通過多種不同機制影響腫瘤發(fā)生發(fā)展，并有望成為新的腫瘤治療靶點。研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤放射治療可以改變TAM的表型和活性，進而影響治療療效，且不同放療方案可對TAM產生不同的影響，因此有必要深入揭示TAM在腫瘤放療中扮演的復雜角色[1-4]。本文對TAM在腫瘤放療中的研究進展作一簡要綜述，明確不同腫瘤放療方案對TAM表型/功能的影響，以期為從TAM角度改善腫瘤放療療效提供參考。

1 腫瘤相關巨噬細胞簡介

1.1 腫瘤相關巨噬細胞的起源和分類

TAM主要來源于血循環(huán)中單核細胞。骨髓來源的單核細胞在被招募到腫瘤部位后，在TME“孵育”下，發(fā)育分化為TAM。然而，新近研究發(fā)現(xiàn)TAM也可來源于胚胎巨噬細胞[5]。TAM是一群可塑性極強的混合表型細胞?；罨木奘杉毎ǔ？煞譃榻?jīng)典激活的巨噬細胞（M1型）和替代激活的巨噬細胞（M2型）。與此相對應，TAM也可主要分為M1或M2樣的兩個亞群（本文以M1/M2 TAM表示）；M1型TAM通常發(fā)揮促炎和抑制腫瘤活性，而M2型TAM常發(fā)揮促癌活性。影響TAM極化的因素非常復雜，TME中多種細胞或因子及穩(wěn)態(tài)失衡因素（如缺氧）等均可以調控TAM的極化。在特定信號刺激下，TAM的M1和M2亞型可互相轉化，因此可以通過誘導TAM向M1型極化從而恢復其抗腫瘤活性。

1.2 腫瘤相關巨噬細胞調控腫瘤發(fā)生發(fā)展

1.2.1 調控腫瘤血管和淋巴管新生 血管新生是腫瘤能夠持續(xù)生長的前提。當生長超過一定體積，腫瘤就會打開“血管生成開關”，通過多種不同機制形成高密度的脈管結構，以增加營養(yǎng)輸送和代謝廢物輸出能力。TAM不僅可以分泌VEGF等多種因子來促進腫瘤血管新生，還可通過分泌細胞外囊泡來調控血管新生[6]。抑制巨噬細胞向腫瘤組織浸潤可以顯著延遲血管生成開關打開和腫瘤進展。此外，TAM還可以促進已經(jīng)存在的血管產生更多的支路，并誘導血管滲漏，促進腫瘤細胞播散。

淋巴管新生也是促進腫瘤轉移的重要機制之一。研究發(fā)現(xiàn)，TAM可通過分泌VEGF、CCL22等因子，促進腫瘤淋巴管新生和淋巴結轉移；清除巨噬細胞可以顯著削弱腫瘤淋巴管表型，進而抑制腫瘤生長和轉移[7]。此外，TAM可通過Podoplanin與淋巴管內皮細胞來源的GAL8結合，激活整合素β1，最終促進淋巴管新生和腫瘤播散[8]。

1.2.2 直接調控腫瘤生長和轉移 TAM可以分泌大量有絲分裂因子及生長因子，進而調控腫瘤細胞NF-κB、IL6/STAT3、JAK1/STAT1、EGF/EGFR等信號通路，促進腫瘤生長。M2型TAM可調控腫瘤轉移各個環(huán)節(jié)[9]，除了誘導血管和淋巴管新生促進腫瘤轉移以外，還可以誘導和促進腫瘤細胞的遷移和侵襲能力、促進腫瘤細胞從血管中外滲、調控腫瘤細胞上皮間質轉換、誘導癌前轉移微環(huán)境的形成及促進循環(huán)腫瘤細胞的生存。

1.2.3 誘導形成免疫抑制性TME TAM是抑制抗腫瘤免疫，誘導形成免疫抑制性TME的關鍵因素之一。TAM可以表達或分泌多種免疫抑制因子和趨化因子（如IL-10、TGF-β、PD-L1、CCL17、CCL18和CCL22），抑制細胞毒性T淋巴細胞的趨化/活性，或促進調節(jié)性T細胞等免疫抑制性細胞向腫瘤組織的趨化，或通過抑制抗原提呈等機制來抑制適應性免疫反應，誘導形成免疫抑制性TME，促進腫瘤免疫逃逸和進展。

1.2.4 調控腫瘤耐藥 化療耐藥是導致腫瘤治療失敗的重要原因。一方面，TAM可通過分泌生長因子等物質，調控細胞死亡相關通路，促進化療耐藥；另一方面，化療也可以促進巨噬細胞向腫瘤組織的浸潤，如TAM可以分泌IL-6，激活腫瘤細胞STAT3信號，進而促進化療耐藥[10]。缺氧可以誘導TAM表達二氫嘧啶脫氫酶，導致結直腸癌細胞對5-氟尿嘧啶耐藥[11]。TAM可分泌14-3-3ζ和嘧啶類物質增強胰腺癌細胞對吉西他濱的耐藥[12-13]。TAM還能通過分泌外泌體，輸送特定微小RNA（如miR-223和miR-365）進入腫瘤細胞，誘導其發(fā)生化療耐藥[14-15]。此外，TAM還參與調控腫瘤內分泌治療、靶向治療及免疫治療耐藥。

2 腫瘤放療及其誘導的生物學效應

腫瘤放療是利用放射線殺傷腫瘤的一種局部治療方法，超過一半類型的癌癥患者需要接受放療。放療不僅能直接殺傷腫瘤細胞，也可以通過調節(jié)免疫系統(tǒng)和TME影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展。

2.1 放療對腫瘤細胞的直接殺傷作用

放射線可直接誘導腫瘤細胞DNA損傷，引起細胞凋亡、壞死、有絲分裂障礙或復制性衰老。不同組織器官及腫瘤類型放射敏感度不同。此外，腫瘤細胞的增殖周期、病理分級、細胞分化程度、腫瘤細胞的氧含量等均可影響放射敏感度。

2.2 放療的免疫調節(jié)作用

放療還能通過調控TME，發(fā)揮局部乃至全身的免疫調節(jié)作用，影響腫瘤進展。根據(jù)不同放療方案，不同腫瘤和健康組織對放射敏感度差異，放療可以誘導不同的免疫反應，如放療可激活炎癥信號，促進樹突狀細胞（dendritic cell,DC）、T、NK和M1巨噬細胞殺死腫瘤細胞；放療還能通過改變腫瘤組織血管結構、增加黏附分子和趨化因子表達影響免疫細胞在腫瘤中的浸潤，例如短程新輔助放療可誘導直腸癌細胞分泌富含HMGB1的細胞外囊泡，調控TAM向M1型極化，增強抗腫瘤免疫[1]。對胰腺癌的原位低劑量新輔助放療可誘導TAM向iNOS+M1巨噬細胞極化，逆轉腫瘤抑制性TME[16]。

腫瘤的局部照射，尤其是當其與免疫檢查點抑制劑聯(lián)用時，常?？烧T導放射路徑外遠處轉移灶的反應，即遠隔效應[17]，例如受照射TME可分泌炎癥因子誘導DC和巨噬細胞等遷移到轉移灶等非照射部位，發(fā)揮抗腫瘤免疫功能，清除未受照射的癌細胞[18-19]。

此外，放療也可參與激活免疫抑制和誘導放射抗性，如輻射會激活TGF-β信號，通過CCL2和CSF1等信號誘導巨噬細胞、調節(jié)性T細胞和骨髓來源的抑制性細胞（myeloid-derived suppressor cell,MDSC）向腫瘤組織的趨化和浸潤，最終誘導免疫抑制性TME，降低腫瘤細胞的放射敏感度。

2.3 放療調控腫瘤血管生成

不同劑量輻射對腫瘤血管的作用不同。低劑量輻照（low doses of irradiation,LDI）（＜2 Gy）可以刺激血管新生，促進腫瘤進展。有研究提示超過5 Gy的短程放療會降低血管密度[20]，而高劑量輻照（high dose of irradiation,HDI）（＞8 Gy）常常誘導血管內皮細胞功能障礙，從而抑制血管生成[21]。雖然中高劑量放療通常促進內皮細胞的凋亡和血管炎性反應，但Moeller等報道放療（3×5 Gy）可激活腫瘤細胞HIF-1α信號，進而分泌VEGF和bFGF，促進內皮細胞存活，最終誘導放療抗性[22]。

HDI可以誘導MDSC、巨噬細胞和骨髓來源DC進入照射區(qū)域，其中MDSC和巨噬細胞主要參與血管生成并促進腫瘤再生長，而骨髓來源DC則主要參與放療后的血管重建[23]。輻射還能通過調控腫瘤相關成纖維細胞和肥大細胞，促進腫瘤血管新生[23]。

3 放療對腫瘤相關巨噬細胞表型的影響

免疫細胞放射敏感度取決于其譜系、成熟度和激活狀態(tài)。與其他免疫細胞相比，TAM放療敏感度差[21]。放療對TAM以及免疫系統(tǒng)的影響與其作用方式和劑量密切相關，見圖1。

3.1 LDI對TAM表型的影響

LDI（＜2 Gy）通常難以直接殺傷腫瘤細胞，但可通過誘發(fā)炎性反應、激活先天免疫和DNA修復等適應性反應間接影響腫瘤進展。在LDI下TAM更傾向于向M2型極化。M1型巨噬細胞經(jīng)LDI（0.5～2 Gy）后，iNOS水平減低，NF-κB活性受到抑制，導致IL-1β分泌減少以及TGF-β表達增加，細胞向M2型極化[2,24]。LDI（0.5～0.7 Gy）處理會誘導巨噬細胞表達MAPK磷酸酶（MPK1），進而促進ERK 1/2 和p38 MAPK去磷酸化，抑制TNF-α、IL-1β等炎性反應因子的表達[24]。

LDI在體內誘導更為復雜的巨噬細胞應答。全身照射（whole-body irradiation,WBI）在不同品系的老鼠中可引起類似的抗腫瘤效應，但其具體機制尚有待研究。如BALB/c小鼠表現(xiàn)為Th2/M2免疫表型，而C57BL/6小鼠表現(xiàn)為Th1/M1表型；但低劑量的WBI（0.01～0.1 Gy）在這兩個品系小鼠中均能增強NK和巨噬細胞的免疫活性，抑制腫瘤轉移[25]。

3.2 中等劑量輻照對TAM表型的影響

中等劑量輻照（moderate dose of irradiation,MDI）（2～8 Gy）通常誘導TAM向M1型極化。分離的直腸癌組織勻漿經(jīng)2 Gy γ射線照射后，其中的M2型TAM比例減少，TNF-α+和iNOS+TAM（M1型）水平升高[1]。在直腸癌組織中，MDI可以使TAM極化為M1樣表型，其吞噬作用顯著增強，并通過分泌TNF-α和iNOS等因子，以及激活T細胞等機制發(fā)揮抗腫瘤作用[26]。針對胰腺癌的原位新輔助放療（2 Gy）也誘導TAM向iNOS+巨噬細胞極化，進而招募細胞毒性T細胞到腫瘤組織，恢復抗腫瘤免疫應答[16]。胰島素瘤荷瘤小鼠經(jīng)WBI（2周，2 Gy/周）后，TAM向M1表型轉換[27]。

3.3 HDI對TAM表型的影響

HDI（＞8 Gy）通常促進TAM向M2型極化。運用不同策略抑制TAM產生的VEGF均可顯著增強HDI對小鼠黑色素瘤移植瘤的療效[28]。利用前列腺癌移植瘤模型，Tsai等發(fā)現(xiàn)HDI（25 Gy或4×15 Gy）照射后，TAM通過增加COX-2、iNOS和Arg-1的分泌促進腫瘤生長[3]。HDI（3×20 Gy）照射的腫瘤細胞能激活巨噬細胞NF-κB p50，促進其M2型極化；阻斷NF-κB p50后，TAM維持在M1型并發(fā)揮放療增敏作用[4]。10 Gy輻照可促進直腸癌和胰腺癌移植瘤分泌CSF1，誘導巨噬細胞趨化、浸潤和向M2型極化，抑制放療誘導的適應性免疫和腫瘤對免疫檢查點抑制劑的應答[29]。Okubo等發(fā)現(xiàn)12 Gy輻照可導致小鼠口腔癌消退，但幾周后腫瘤重新生長，其機制為照射導致腫瘤脈管破壞和缺氧，進而誘導CD11b+髓系細胞向腫瘤的趨化和M2型極化，最終促進血管新生和腫瘤復發(fā)[30]。

4 腫瘤相關巨噬細胞對放療療效的影響腫瘤相關巨細胞

TAM主要通過調控抗腫瘤免疫影響放療效果。TAM尤其是M2型TAM，可以抑制腫瘤放療療效；在多種腫瘤中，TAM數(shù)量可作為預測放療療效的潛在標志物[31-33]。早期研究發(fā)現(xiàn)，放療前清除巨噬細胞或阻斷TNF-α信號均顯著增強HDI對小鼠黑色素瘤移植瘤的療效[28]。放療可以通過誘導IL-4或CSF1信號，促進巨噬細胞浸潤和（或）M2型極化；阻斷IL-4或CSF1信號均能增強放療療效[34-36]。M2型巨噬細胞來源的外泌體AGAP2-AS1可以增強肺癌對放療的抗性[37]。TAM分泌的外泌體也可以增強子宮內膜癌細胞侵襲的存活能力，降低其放射敏感度。MDI照射后的乳腺癌細胞分泌HMGB1，進而通過TLR-4通路促進TAM向M1型極化和TNFα的表達，抑制裸鼠非照射部位乳腺癌細胞的生長和轉移，促進放療的遠隔效應[38]，這與TAM來源的TNFα可促進腫瘤放療耐受的其他報道不一致[28]；這是由于腫瘤類型的差異，還是TNFα在照射或未照射腫瘤組織發(fā)揮不同功能所致，尚有待進一步研究。新近研究發(fā)現(xiàn)，抑制TAM的SIRPα表達可顯著增強多種腫瘤放療療效；放療激活的SIRPa-/-巨噬細胞主要通過誘發(fā)炎性反應和抗原提呈，激活腫瘤特異性的T細胞應答，逆轉放療抗性，并能誘發(fā)持久的體液和細胞免疫，清除癌細胞[19]。

放療會通過破壞脈管結構等促進腫瘤組織缺氧。缺氧會增強腫瘤細胞HIF-1α水平，通過促進血管新生等機制誘導輻射抗性，導致不良預后。此外，缺氧腫瘤細胞還可表達SDF-1α等趨化因子，募集外周TAM（主要為M2型）至缺氧區(qū)，進而誘導血管新生和刺激腫瘤生長[39]，阻斷SDF-1α/CXCR4或HIF-1α均可以抑制腫瘤放療后的復發(fā)[40]。TAM通過TNFα/TNFR信號軸誘導VEGF表達，促進輻射后黑色素瘤的再次生長并增加了其輻射抗性[28]。Cai等發(fā)現(xiàn)，抗癲癇藥丙戊酸或其衍生物可以誘導TAM向M1型極化，促進其分泌IL-12、IL-6、TNFα、IFN-γ等細胞因子，進而抑制腫瘤血管新生，激活CD8+T細胞介導的抗腫瘤免疫，最終增強放療療效[41]。

5 總結

TAM是TME中的主要免疫細胞，與放療療效密切相關，針對TAM的療法已經(jīng)成為腫瘤研究的新熱點。腫瘤放療后免疫系統(tǒng)的激活和抑制之間存在微妙的平衡，不僅與腫瘤自身特性有關，還取決于放療方案。因此，如何針對不同類型腫瘤，設計最佳放療劑量和分割方案，在直接殺傷腫瘤細胞的同時，誘導TAM向M1型極化以及其他抗腫瘤免疫效應，最大限度抑制腫瘤生長和轉移，將成為腫瘤精準放療的內涵之一。另一方面，如何根據(jù)不同類型腫瘤特性，設計個性化TAM靶向治療，并與放療等聯(lián)用，發(fā)揮協(xié)同抗癌作用，雖已經(jīng)顯示了誘人的前景，但仍然需要進一步的機制探索和臨床試驗驗證。