吲哚胺2,3-双加氧酶在肿瘤微环境中的表达及意义①

魏丽娟 刘俊田 任秀宝

(天津医科大学肿瘤医院预防医学中心/国家肿瘤临床医学研究中心/天津市肿瘤防治重点实验室/天津市恶性肿瘤临床医学研究中心，天津 300060)

吲哚胺2,3-双加氧酶在肿瘤微环境中的表达及意义①

魏丽娟 刘俊田 任秀宝②

(天津医科大学肿瘤医院预防医学中心/国家肿瘤临床医学研究中心/天津市肿瘤防治重点实验室/天津市恶性肿瘤临床医学研究中心，天津 300060)

吲哚胺2,3-双加氧酶(Indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO)是肝外唯一催化色氨酸沿犬尿氨酸途径分解代谢的限速酶[1]。作为一种胞内酶，IDO广泛分布于黏膜组织(如胎盘、肺和小肠)、胸腺髓质和次级淋巴器官的T细胞区。健康人的IDO表达水平较低，但在感染、炎症或细胞因子的作用下可上调，其调节途径包括干扰素依赖性信号通路和非干扰素依赖性信号通路。

最初人们对IDO的认识仅限于炎症中，后来发现其在母胎免疫、移植免疫及肿瘤免疫等多种环境中均具有免疫调节作用。随着研究的深入，人们发现多种肿瘤组织中均有IDO的表达，并且被认为是影响患者预后的不良因素，IDO在肿瘤免疫治疗中的地位也越来越受到重视[2，3]。目前，IDO的多种抑制剂正在临床试验阶段，已经可以初步预见到IDO与化疗或者免疫检查点抗体联合应用的有效性，但是 IDO在肿瘤微环境中的表达定位多样，不仅包括肿瘤细胞自身还包括肿瘤微环境中的相关细胞如DC、巨噬细胞以及内皮细胞等。不同细胞所表达的IDO在肿瘤微环境中的作用及其机制不完全相同，其在肿瘤的发生、发展以及影响患者预后中发挥了重要作用。

1 IDO在肿瘤细胞的表达

Himald等[4]首次报道了IDO在肺癌组织中的表达，随后，多种人类肿瘤组织中均发现有IDO的表达[2]。我们的前期研究中也发现绝大多数乳腺癌组织中有IDO表达，且其高水平表达的患者比例高达67.5%[5]。新近的研究发现在乳腺癌、前列腺癌等多种肿瘤细胞系的干细胞中也存在IDO表达[6]，其在肿瘤细胞干性的产生或者维持方面是否发挥了一定的作用还需要进一步的研究。IDO的高表达与患者的转移、复发或生存率之间均存在密切关系，还可能通过多种机制参与了肿瘤的化疗耐药[7]。然而也有少数研究得到了不同的结论，在三阴性乳腺癌中，IDO表达阳性的患者往往肿瘤体积较小、多为基底样亚型，并且具有更多的淋巴细胞浸润，但是并不能反映患者的预后情况[8]。而Jacquemier等[9]则认为，基底样乳腺癌中IDO的表达强度不仅与淋巴细胞浸润的数量密切相关，而且还提示患者预后良好。

肿瘤细胞表达的IDO可能并不影响其本身的增殖和侵袭能力，但是却可以促进肿瘤生长和转移，该过程有多种机制参与[10,11]。最主要的机制是IDO通过色氨酸耗竭、毒性代谢产物的积累以及诱导调节性T细胞(regulatory T cells,Tregs)的分化发挥其免疫抑制功能。IDO所造成的肿瘤局部低色氨酸水平可以激活与免疫细胞增殖和功能相关的一般性调控阻遏蛋白激酶2(GCN2)通路[12]，而IDO的代谢产物则是芳香烃受体(Aryl hydrocarbon receptor,AHR)的配体，两者结合后可以产生免疫抑制功能[13]。本团队最新的研究发现，IDO也可以通过下调Vav1蛋白表达进而抑制Vav1/Rac途径从而抑制T细胞的免疫应答[14]。其次，表达IDO的肿瘤细胞还可以通过依赖于Tregs的作用机制招募和激活骨髓来源的抑制细胞(Myeloid-drived suppressor cells,MDSCs)，从而影响肿瘤局部乃至全身的免疫状态[11]。同时，IDO可以抑制自然杀伤细胞的聚集[10]。另外，还有多个研究发现肿瘤细胞所表达的IDO与肿瘤细胞或者免疫细胞免疫检查点之间存在复杂的联系。在非小细胞肺癌的癌细胞中IDO的表达率显著高于PD-L1，两者共表达的比例并不高，但是两者的表达水平均和肿瘤微环境中的浸润淋巴细胞(Tumor-infiltrating lymphoycte,TIL)相关[15]。在急性髓性白血病中，表达IDO的癌细胞可下调NK细胞的脱颗粒活性。NK细胞表达的TIM-3与瘤细胞所表达的Gal-9相结合从而在骨髓微环境中释放IFN-γ引起瘤细胞中IDO1表达的上调，而阻断TIM-3/Gal-9通路后，可以显著下调IFN-γ依赖性的IDO活性[16]。

由此可见，IDO与肿瘤局部微环境中的多种免疫抑制机制存在重要联系，除此之外，IDO还可能促进了肿瘤局部的血管形成。Li等[17]发现在异种移植皮肤内IDO能够诱导血管形成。我们前期研究中发现在人乳腺癌原发病灶中IDO的表达水平和CD105标记的微血管密度存在相关性，体外实验利用Transwell小室共培养发现，高表达IDO的乳腺癌细胞系促进人脐静脉内皮细胞的管样结构增加[18]。

2 IDO在免疫细胞的表达

2.1IDO在DCs的表达 研究发现肝癌患者的IDO表达与无病生存正相关，进一步分析证实IDO阳性的细胞是肿瘤中浸润的细胞而不是肿瘤细胞自身[19]。尽管目前对于IDO提示肿瘤患者预后良好这样的结论还少有报道，但是IDO在树突状细胞(Dendritic cell,DC)等多种免疫细胞中的表达却已成为研究的热点[20]。免疫细胞表达的IDO同样受IFN-γ的调节，除此之外，最新的研究发现DCs上的IDO表达可能受其他氨基酸代谢的影响，DCs可以同时表达IDO1和精氨酸酶1(Arg1)，IDO1的磷酸化以及下游信号的活化都依赖于Arg1的表达，精氨酸经Arg1代谢产生下游产物多胺，进而激活具有磷酸化IDO1功能的酪氨酸激酶，从而启动IDO1信号通路[21]。在DCs中，IDO似乎具有与其色氨酸分解代谢酶功能不同的某些固有的信号传导功能，从而导致了IDO+DC具有更强的免疫耐受特征[22，23]。DC所表达的IDO可以上调Treg细胞上的PD-1表达，有助于维持PTEN活性[24]。同时，Treg细胞上表达的CTLA-4可以上调DC的IDO水平[25]，而IDO又可以反过来激活Treg细胞。从作用机制来看，PD-1和CTLA-4都是表达在T细胞上的免疫抑制检查点，它们主要在抗原呈递后发挥作用。与此不同的是，IDO是通过改变抗原提呈细胞(Antigen presenting cell,APC)本身的生物学特性和抗原呈递环境来影响初始T细胞活化步骤[26]，因此，我们认为IDO的作用点可能位于PD-1和CTLA-4的上游，在肿瘤微环境中，认清IDO的作用机制，IDO与其他免疫检查点之间的相互作用和影响显得尤为重要。Rodrigues等[27]发现幼稚DC(immature Dendritic cells,iDCs)和肥大细胞(Mast cells,MCs)直接接触后可以表达高水平的IDO，而这种表型不仅可以被靶向肥大细胞的PD-1抗体抑制也可以被靶向DCs的PD-L1或PD-L2抗体所抑制。在共培养体系中加入STAT-3的抑制剂JSI-124后，MC-iDC则不能提高IDO的表达水平，提示STAT-3信号通路可能在IDO表达的调节中发挥了重要作用。

免疫细胞通过呈递肿瘤抗原给免疫系统，从而诱发机体的免疫反应,这可能是机体对肿瘤细胞进行免疫监视的主要方式。大量的富含IDO的免疫细胞聚集在肿瘤组织周围，会妨碍其他正常免疫细胞对肿瘤抗原的识别和呈递。因此，肿瘤组织诱导的富含IDO的免疫细胞聚集在肿瘤组织周围，可能是造成机体对肿瘤抗原免疫耐受的一个关键环节。

2.2IDO与Treg 与IDO在炎症中所发挥作用的机制类似，肿瘤局部微环境中，IDO影响T细胞免疫应答的主要机制也离不开Treg。IDO诱导的Treg细胞活化是由来自激活效应T细胞的生理信号所触发的，该活化途径与使用外源性抗CD3促分裂原所活化的机制不同，这是体内Treg细胞活化的关键刺激[28]。目前的研究证实，IDO活化的Treg细胞是DCs中PD-L1和PD-L2表达的强力诱导剂，IDO通过调节Treg细胞中的mTORC2/Akt信号通路，显著影响其活化效果[29]。并且，Treg细胞一旦被IDO激活，其免疫抑制状态的维持将不再受IDO的限制，而是通过PD-1/PTEN信号通路形成稳定的自我延续抑制状态的环路[30]。正因为该环路的形成，IDO所诱导产生的局部免疫抑制状态才不会被局限，而是被抗原提呈细胞、肿瘤细胞以及多种组织中广泛存在的PD-1所放大。黑色素瘤组织中浸润的CD8+T细胞不仅可以招募Treg细胞，还可以同时上调IDO和PD-L1的表达，从而诱导了肿瘤局部微环境的免疫抑制状态[28]。

3 IDO在血管内皮细胞的表达

关于内皮细胞表达IDO的报道并不多，多数研究认为，内皮细胞所表达的IDO与肿瘤细胞及免疫细胞所表达的IDO 具有不同的意义，其中有部分报道提示内皮细胞表达的IDO可能对患者的预后是有利的。

早在2004年，Hansen等[31]就在疟原虫感染小鼠模型中发现血管内皮细胞可以表达IDO，并且这种表达是全身性的。随后有研究证实，肿瘤组织中的内皮细胞也有IDO表达。Feder-Mengus等[32]对42例良性前列腺增生和34例前列腺癌患者进行了分析研究，发现在前列腺癌患者中IDO mRNA表达更多见，表达水平也更高，进一步利用免疫组化定位分析发现IDO mRNA表达量低的前列腺癌患者中IDO蛋白独特地表达于内皮细胞。

Riesenberg等[33]研究发现在肾透明细胞癌患者中IDO呈低水平表达是一个独立的不良预后指标，该研究发现75%的肾透明细胞癌患者在基因水平和蛋白水平均有IDO表达，但是免疫组化却出人意料地显示IDO主要表达于内皮细胞而不是肿瘤细胞，并且在新生的血管内皮细胞中IDO表达的现象更明显，尤其集中在肿瘤浸润生长的边缘区域。同时，该研究在原发灶和转移灶中均发现IDO阳性的微血管密度与增殖的肿瘤细胞数目显著负相关。或许正是因为该研究中表达IDO的细胞主要是内皮细胞而不是多数学者认为的肿瘤细胞和DC等宿主抗原提呈细胞，这才出现了IDO表达水平低对患者预后不利这样的结论。关于内皮细胞所表达的IDO 抑制肿瘤生长的机制还不明确，Riesenberg等[33]认为内皮细胞中表达的IDO可以阻止血液中的色氨酸到达肿瘤组织，连同色氨酸降解产生的毒性代谢产物共同抑制了肿瘤的生长。Mouratidis等[34]发现原代静脉内皮细胞在IFN-γ刺激后会表达IDO，但表达IDO的原代内皮细胞并不能影响T细胞的迁移。

4 其他

也有研究者认为肿瘤组织中IDO表达增强的细胞可能并不是肿瘤细胞或者DC，而是来源于嗜酸性粒细胞。Astigiano等[35]运用免疫组化方法研究了25例非小细胞肺癌标本，结果表明这些表达IDO的细胞可能是嗜酸性粒细胞，且推测其他研究者之所以认为IDO是由肿瘤细胞或DC表达，主要原因是因为使用的抗体不恰当，但该结论尚未被广大研究者认可。Odemuyiwa等[36]在哮喘患者肺嗜酸性粒细胞中也发现IDO高表达，其mRNA表达量上升了8倍，且这种作用只能通过IFN-γ作用才能形成，在一定程度上支持了Astigiano的研究结果。Li等[37]研究发现肝细胞肝癌中肿瘤相关成纤维细胞可以表达IDO，并且通过降低NK细胞的细胞毒效应干扰其有效的免疫应答。

5 结语

针对IDO的多种免疫抑制剂已经进入临床试验阶段，在与化疗或者其他免疫抑制剂联合应用时显现出了肯定的前景，但是临床有效率在不同肿瘤中不尽相同，而且目前尚缺乏较好的疗效预测指标，在患者选择方面面临很大的挑战。本文综述了肿瘤局部微环境中多种细胞上的IDO表达，肿瘤细胞表达的IDO通过消耗色氨酸、产生毒性代谢产物及直接诱导Treg活化等多种机制促进肿瘤生长和转移。免疫细胞表达的IDO似乎具有某些信号传导功能，该功能不同于其色氨酸分解代谢酶的功能，从而使其成为肿瘤局部微环境免疫耐受状态产生和维持的关键。而目前文献显示血管内皮细胞表达的IDO可能通过某些特殊的机制抑制了肿瘤的生长。或许正是因为肿瘤局部微环境中不同细胞表达的IDO对肿瘤的影响机制不同，从而造成了IDO表达对患者预后影响的不一致性。我们需要针对肿瘤微环境中不同细胞表达IDO的作用机制做出更加深入的了解，从而为临床上IDO抑制剂的合理应用奠定理论基础。

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[收稿2017-05-18 修回2017-06-29]

(编辑 张晓舟)

10.3969/j.issn.1000-484X.2017.11.029

①本文受国家自然科学基金(81502309)资助。

②天津医科大学肿瘤医院生物技术研究室，天津市肿瘤免疫与生物治疗重点实验室，天津 300060。

R730.3

A

1000-484X(2017)11-1731-04

魏丽娟(1983年-)，女，博士，主治医师，主要从事乳腺癌与免疫的相关研究。

及指导教师：任秀宝(1968年-)，男，主任医师，教授，博士生导师，主要从事肿瘤免疫方面的研究，E-mail:renxiubao@tjmuch.com。