乳酸在腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、免疫抑制和免疫治療中的作用研究進(jìn)展

魏珍，阿衣希塔·奴爾江，劉正，杜鵬

新疆醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，烏魯木齊 830000

不受控制的無(wú)限增殖是腫瘤的基本特征［1］。在腫瘤發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，代謝重編程發(fā)生在腫瘤細(xì)胞及鄰近細(xì)胞中，支持腫瘤細(xì)胞快速增殖的高能量需求，并幫助腫瘤細(xì)胞在某些遺傳或環(huán)境壓力下存活［2］?！巴卟裥?yīng)”是代謝重編程之一，是1924年由德國(guó)分子生物學(xué)家OTTO WARBURG提出的一種腫瘤獨(dú)特的代謝特征?！巴卟裥?yīng)”提示，即使在氧氣充足的情況下，腫瘤細(xì)胞都會(huì)過(guò)度攝取葡萄糖并優(yōu)先轉(zhuǎn)化為乳酸。同時(shí)，為避免細(xì)胞內(nèi)酸化，腫瘤細(xì)胞會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞外，并造成酸性微環(huán)境［3］。近些年，隨著人們對(duì)腫瘤發(fā)生發(fā)展、免疫抑制及耐藥機(jī)制的深入研究，乳酸不再被認(rèn)為是腫瘤有氧糖酵解的代謝廢物，而是可作為能量底物、信號(hào)分子為腫瘤生長(zhǎng)提供能量，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞免疫逃逸。目前認(rèn)為，乳酸的過(guò)量產(chǎn)生及由此導(dǎo)致的酸性微環(huán)境促進(jìn)了多個(gè)關(guān)鍵的致癌過(guò)程，在腫瘤的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、免疫抑制和免疫治療抵抗方面發(fā)揮重要作用，現(xiàn)綜述如下。

1 乳酸的來(lái)源和轉(zhuǎn)運(yùn)

腫瘤所處的內(nèi)環(huán)境被稱為腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment，TME），由腫瘤細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞（cancer-associated fibroblasts，CAFs）和免疫細(xì)胞以及非癌性細(xì)胞基質(zhì)組成，其中還含有大量由各種細(xì)胞分泌的可溶性細(xì)胞因子，以上成分相互影響并共同構(gòu)成TME［1-3］。乳酸作為代謝產(chǎn)物被轉(zhuǎn)運(yùn)至TME中積累，參與構(gòu)成TME，是腫瘤細(xì)胞與非腫瘤細(xì)胞共同造成的結(jié)果。

1.1 乳酸的來(lái)源 OTTO WARBURG［4］在20世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)了腫瘤細(xì)胞獨(dú)特的代謝特征。正常細(xì)胞僅在缺氧條件下通過(guò)無(wú)氧糖酵解產(chǎn)生乳酸為細(xì)胞供能，而腫瘤細(xì)胞即使在富含氧的環(huán)境中也優(yōu)先選擇把葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸獲取能量，而非氧化磷酸化途徑，該過(guò)程被稱為“有氧糖酵解”或“Warburg effect”，這是TME中乳酸的主要來(lái)源。據(jù)估計(jì)，腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生的乳酸是正常細(xì)胞的40倍［5］。此外，腫瘤細(xì)胞也通過(guò)谷氨酰胺代謝為自身供能。腫瘤細(xì)胞增加谷氨酰胺的攝取，并通過(guò)谷氨酰胺酶促使谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為谷氨酸，谷氨酸隨后進(jìn)入線粒體，以α-酮戊二酸的形式參與三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)，后者轉(zhuǎn)化為蘋果酸，然后運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)，蘋果酸在細(xì)胞質(zhì)中氧化為丙酮酸，最后丙酮酸被乳酸脫氫酶A（lactate dehydrogenase isoform A，LDH-A）還原，產(chǎn)生乳酸和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucletide，NAD+）［6］。這是乳酸產(chǎn)生的又一來(lái)源。另外，TME中的非腫瘤細(xì)胞如CAFs，同樣可攝取葡萄糖進(jìn)行糖酵解產(chǎn)生乳酸［7］。

1.2 乳酸的轉(zhuǎn)運(yùn) 腫瘤細(xì)胞與非腫瘤細(xì)胞代謝產(chǎn)生的乳酸可以為腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)提供能量來(lái)源，單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（monocarboxylate transporters，MCTs）在其中發(fā)揮重要作用，細(xì)胞間乳酸穿梭主要依靠MCTs。MCTs屬于溶質(zhì)運(yùn)載蛋白家族SLC16A亞家族成員，目前已發(fā)現(xiàn)該家族有14個(gè)成員，其中MCT1（SLC16A1）和MCT4（SLC16A3）在癌癥代謝中很重要。低氧區(qū)域腫瘤細(xì)胞和非腫瘤細(xì)胞為避免細(xì)胞內(nèi)酸化，通過(guò)MCT4將糖酵解產(chǎn)生的乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)至TME后，被常氧區(qū)域腫瘤細(xì)胞和非腫瘤細(xì)胞通過(guò)過(guò)度表達(dá)的MCT1攝取為TCA循環(huán)提供原料，而葡萄糖則擴(kuò)散至低氧區(qū)域繼續(xù)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞糖酵解，此種現(xiàn)象為“代謝共生”，滿足不同區(qū)域腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的能量需求［8-9］。

2 乳酸在腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、免疫抑制和免疫治療中的作用

腫瘤中的血管輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣，支持腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移。乳酸不但通過(guò)介導(dǎo)各種信號(hào)通路促進(jìn)新生血管生成，而且可以重塑免疫細(xì)胞表型，是腫瘤細(xì)胞重塑TME滿足自我生長(zhǎng)的利器。以乳酸信號(hào)通路和乳酸代謝為靶點(diǎn)是一種很有前景的治療方法。

2.1 乳酸過(guò)量促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移 相對(duì)于正常細(xì)胞而言，腫瘤細(xì)胞對(duì)于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求更高，細(xì)胞分裂需要更多的養(yǎng)分，轉(zhuǎn)移入侵也需要養(yǎng)分。腫瘤組織中的新生血管為無(wú)限增殖、轉(zhuǎn)移的腫瘤細(xì)胞提供了充足的養(yǎng)料和氧氣。乳酸不但促進(jìn)血管生成，還可作為信號(hào)分子間接發(fā)揮促腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移的作用。首先，乳酸通過(guò)缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）依賴和HIF非依賴途徑來(lái)促進(jìn)腫瘤血管生成［10］。在HIF依賴途徑中，乳酸參與腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（tumor-associated macrophages，TAMs）介導(dǎo)的血管生成作用。TAMs通過(guò)生成血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）促進(jìn)腫瘤血管生長(zhǎng)，從而驅(qū)動(dòng)腫瘤擴(kuò)增，這一過(guò)程的關(guān)鍵在于TAMs中介導(dǎo)VEGF生成的轉(zhuǎn)錄因子HIF-2α的表達(dá)。巨噬細(xì)胞特異性液泡ATP酶（vacuolar ATPases，V-ATPases）是一種大型蛋白復(fù)合體，Atp6v0d2作為V-ATPase的亞基之一，在TAMs中介導(dǎo)溶酶體降解HIF-2α。腫瘤細(xì)胞衍生的乳酸通過(guò)激活mTORC1來(lái)抑制TFEB介導(dǎo)的Atp6v0d2的表達(dá)，下調(diào)TAMs中的ATP6V0d2，從而通過(guò)維持HIF-2α來(lái)增強(qiáng)腫瘤的血管化和生長(zhǎng)［10］。在HIF非依賴途徑中，內(nèi)皮細(xì)胞通過(guò)MCT1攝取乳酸進(jìn)入胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為丙酮酸的過(guò)程導(dǎo)致煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）積累，后者激活NADH氧化酶，從而誘導(dǎo)活性氧（reactive oxygen species，ROS）的增加，并抑制脯氨酸羥化酶（prolyl hydroxylase domain，PHD）。ROS的增加和PHD的抑制導(dǎo)致人核因子κB抑制蛋白α（nuclear factor kappa-B inhibitor alpha，IκBα）降解增加，促發(fā)核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）的活性，激活促血管生成信號(hào)白細(xì)胞介素-8（interleukin-8，IL-8）途徑達(dá)到促進(jìn)血管生長(zhǎng)的目的［11］。其次，乳酸也可與G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合，作為信號(hào)分子發(fā)揮作用。乳酸是G蛋白耦聯(lián)受體81（G-protein-coupled receptor 81，GPR81）的內(nèi)源性配體。有研究［12］發(fā)現(xiàn)，在胰腺癌中，敲除GPR81降低了癌細(xì)胞MCT1與MCT4的表達(dá)，同時(shí)導(dǎo)致線粒體活性顯著降低，細(xì)胞死亡顯著增加。乳酸/GPR81對(duì)癌細(xì)胞存活的重要性在乳腺癌的研究中也被證實(shí)，GPR81可能是乳腺癌潛在的治療靶點(diǎn)［13］。CHEN等［14］發(fā)現(xiàn)，GPR132是另一個(gè)乳酸受體，乳酸與TAMs上高表達(dá)的GPR132形成配體-受體對(duì)，使其向M2型極化，M2巨噬細(xì)胞的激活通過(guò)分泌多種細(xì)胞因子（如CCL17、IL-10、VEGF等）可刺激乳腺癌轉(zhuǎn)移。

2.2 乳酸過(guò)量有助于腫瘤免疫抑制 TME中各種各樣的免疫細(xì)胞在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，包括T細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞（natural killer cell，NK）、樹(shù)突狀細(xì)胞（dendritic cells，DCs）和TAMs。乳酸可影響T細(xì)胞（主要是CD8+T細(xì)胞）和NK細(xì)胞活化及細(xì)胞毒性，抑制效應(yīng)T細(xì)胞數(shù)量、增殖，幫助腫瘤細(xì)胞免疫逃逸。在高乳酸環(huán)境中，細(xì)胞內(nèi)外形成的乳酸濃度差，促使胞外乳酸通過(guò)T細(xì)胞與NK細(xì)胞上MCT1或其它轉(zhuǎn)運(yùn)體以及不依賴轉(zhuǎn)運(yùn)體的擴(kuò)散方式進(jìn)入胞內(nèi)，導(dǎo)致胞內(nèi)低pH環(huán)境，致使活化T細(xì)胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）上調(diào)受限，從而導(dǎo)致γ干擾素（interferon-γ，IFN-γ）減少，影響T細(xì)胞與NK細(xì)胞活化［15-16］。有研究［15］得出，胞內(nèi)酸化使T細(xì)胞與NK細(xì)胞顆粒酶B產(chǎn)生減少，減弱細(xì)胞毒性，無(wú)法靶向腫瘤細(xì)胞凋亡。效應(yīng)T細(xì)胞主要依靠有氧糖酵解途徑獲能，產(chǎn)生的乳酸需有效轉(zhuǎn)運(yùn)至胞外。當(dāng)胞外乳酸濃度升高時(shí)，阻礙胞內(nèi)乳酸外排，乳酸積累會(huì)干擾能量代謝，這可能是效應(yīng)T細(xì)胞數(shù)量減少原因［15］。NAD+在富含乳酸條件下被乳酸脫氫酶還原為NADH，NAD+可用性降低，限制了甘油醛3-磷酸脫氫酶和3-磷酸甘油酸脫氫酶的NAD+依賴性酶促反應(yīng)，阻礙了糖酵解途徑，影響T細(xì)胞增殖［15］。而糖酵解中間產(chǎn)物三磷酸甘油酸的減少導(dǎo)致T細(xì)胞增殖所必需的色氨酸減少［17］。

研究［18］顯示，通過(guò)細(xì)胞上受體或胞內(nèi)信號(hào)通路，乳酸可重塑樹(shù)突狀細(xì)胞（dendritic cells，DCs）功能。乳酸不僅可以阻斷DCs分化、激活，促進(jìn)免疫耐受，而且對(duì)漿細(xì)胞樣樹(shù)突狀細(xì)胞（plasmacytoid dendritic cells，pDCs）功能也有抑制作用［19］。pDCs是Ⅰ型干擾素的主要生產(chǎn)者。乳酸通過(guò)與pDCs表面的GPR81結(jié)合或通過(guò)MCT1運(yùn)輸?shù)絧DCs細(xì)胞質(zhì)中誘導(dǎo)胞內(nèi)Ca2+動(dòng)員，參與鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶（calcineurin phosphatase，CALN）信號(hào)，調(diào)節(jié)下游基因表達(dá)來(lái)抑制pDCs對(duì)I型IFN的誘導(dǎo)。胞內(nèi)乳酸升高會(huì)增加pDCs的色氨酸代謝，導(dǎo)致過(guò)度產(chǎn)生犬尿氨酸，增強(qiáng)Treg細(xì)胞的擴(kuò)增［19］。Treg細(xì)胞被認(rèn)為是抗腫瘤免疫的主要障礙。KUMAGAI等［20］發(fā)現(xiàn)，在低葡萄糖高乳酸環(huán)境中效應(yīng)Treg細(xì)胞（effector Treg cells，eTreg）對(duì)CD8+T細(xì)胞的抑制功能增強(qiáng)，CD8+T細(xì)胞既要與腫瘤細(xì)胞競(jìng)爭(zhēng)能量來(lái)源，又要受到eTreg細(xì)胞的免疫抑制，大大削弱了其抗腫瘤作用。

TAMs由骨髓單核細(xì)胞來(lái)源的巨噬細(xì)胞和組織駐留巨噬細(xì)胞組成［21］。TAMs有抗腫瘤M1與促腫瘤M2兩種表型。研究表明，乳酸有利于TAMs極化，從而形成促腫瘤M2表型，促進(jìn)腫瘤免疫抑制。MU等［22］證明在小鼠乳腺癌模型中，乳酸通過(guò)激活ERK/STAT3信號(hào)通路誘導(dǎo)M2巨噬細(xì)胞極化，該信號(hào)通路上調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子 1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α）、精氨酸酶1（arginase 1，Arg1）M2樣巨噬細(xì)胞標(biāo)志物的表達(dá)。ZHANG等［23］在小鼠肺癌和黑色素瘤模型研究中發(fā)現(xiàn)，乳酸在巨噬細(xì)胞的表觀遺傳調(diào)控中起重要作用，細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)乳酸水平誘導(dǎo)組蛋白乳酸化，導(dǎo)致M1巨噬細(xì)胞極化過(guò)程中M2樣基因（如ARG1）表達(dá)增加。與其它實(shí)體腫瘤不同的是，小膠質(zhì)細(xì)胞是存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的組織駐留巨噬細(xì)胞群體，是膠質(zhì)瘤微環(huán)境中TAMs的主要來(lái)源。人胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白6（Insulin-like Growth Factor Binding Protein 6，IGFBP6）的表達(dá)受膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（glioblastoma，GBM）細(xì)胞中乳酸的產(chǎn)生調(diào)節(jié)，乳酸可使GBM細(xì)胞IGFBP6表達(dá)增加，而IGFBP6又可激活胞內(nèi)IGFBP6/SHH/TLR4軸使GBM產(chǎn)生乳酸。研究［7］顯示，IGFBP6的表達(dá)增加促使小膠質(zhì)細(xì)胞M2樣極化，幫助GBM細(xì)胞發(fā)生免疫逃逸。

2.3 乳酸過(guò)量可引起腫瘤免疫治療抵抗 手術(shù)、化療和放療目前仍然是大多數(shù)腫瘤的主要治療手段，但手術(shù)切除病灶的同時(shí)不可避免損傷腫瘤邊緣組織。而一些患者對(duì)化療藥物耐藥，使治療遇到瓶頸期。因此需要研究新的治療方法。免疫檢查點(diǎn)抑制劑（Immune checkpoint inhibitors，ICIs）是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。ICIs通過(guò)靶向特定分子，如程序性死亡受體-1（programmed cell death 1，PD-1）或其配體以及細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞抗原4（cytotoxic T lymphocyte-associated protein 4，CTLA-4）等，導(dǎo)致免疫系統(tǒng)的激活和有效的抗腫瘤免疫反應(yīng)。2011年和2014年靶向CTLA-4、PD-1的ICIs被食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準(zhǔn)用于多種腫瘤治療，隨后PD-L1抗體也成為第三組被FDA批準(zhǔn)的ICIs。TME中普遍存在著乳酸，有文獻(xiàn)報(bào)道乳酸堆積對(duì)抗腫瘤免疫治療有不利作用。在小鼠黑色素瘤及結(jié)直腸癌模型中［24］，敲除m6A去甲基化酶ALKBH5后，其下游靶基因MCT4/Slc16a3mRNA水平降低，測(cè)定腫瘤間質(zhì)液中乳酸顯著下降，進(jìn)而減弱TME中Treg細(xì)胞、骨髓來(lái)源的抑制性細(xì)胞（myeloid-derived suppressor cells，MDSCs）的招募，上述現(xiàn)象只發(fā)生在抗PD-1治療過(guò)程中，這為PD-1抗體治療抵抗機(jī)制及提高免疫治療療效研究提供了思路。除此之外，eTreg細(xì)胞與CD8+T細(xì)胞之間PD-1表達(dá)失衡也是PD-1抑制劑失效的機(jī)制之一，且乳酸參與其中。高乳酸環(huán)境下，eTreg細(xì)胞通過(guò)高表達(dá)MCT1從TME中攝取乳酸，促進(jìn)NFAT1入核并誘導(dǎo)eTreg細(xì)胞表達(dá)PD-1，而抑制CD8+T細(xì)胞PD-1表達(dá)，導(dǎo)致PD-1阻斷療法失效［20］。GAO等［25］在2019年構(gòu)建了一個(gè)負(fù)載乳酸氧化酶（LOX）和糖酵解抑制劑（3PO）并包被紅細(xì)胞膜（mRBC）的中空MnO2（HMnO2）催化納米系統(tǒng)（PMLR），得益于mRBC的長(zhǎng)循環(huán)特性，PMLR逐漸在腫瘤部位累積，細(xì)胞外PMLR通過(guò)LOX催化乳酸的氧化反應(yīng)，消耗TME中乳酸，細(xì)胞內(nèi)PMLR釋放糖酵解抑制劑阻斷乳酸來(lái)源。他們的研究證明，PMLR在與PD-L1療法相結(jié)合時(shí)M2巨噬細(xì)胞比例下降，檢測(cè)到了IFNγ和IL-6兩種免疫激活細(xì)胞因子，且實(shí)驗(yàn)小鼠的生存期較單獨(dú)使用PD-L1療法延長(zhǎng)，這表明乳酸的消耗可以提高PD-L1療法的療效。上述研究結(jié)果反應(yīng)出乳酸是引起ICIs治療欠佳不容忽視的一個(gè)因素。

綜上所述，乳酸作為供能物質(zhì)、信號(hào)分子，在腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、免疫抑制及治療抵抗等方方面面發(fā)揮著不容忽視的作用。隨著研究的不斷開(kāi)展，深入挖掘乳酸參與的潛在促腫瘤機(jī)制，有利于發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)。深入探討乳酸引起的腫瘤治療抵抗機(jī)制，有助于制訂聯(lián)合治療策略，較單一藥物治療更能延長(zhǎng)患者生存期，擴(kuò)大受益患者范圍。