吲哚胺2，3-双加氧酶-1在肿瘤免疫中的研究进展

谢新华综述；邬黎青审校

(1.南昌大学第三附属医院病理科，江西南昌 330008；2.南昌大学医学部，江西 南昌 330006)

肿瘤的免疫治疗是肿瘤治疗的新途径，明确肿瘤细胞逃避宿主免疫监视与杀伤的机制是提高肿瘤免疫治疗的疗效和特异性的关键点。吲哚胺2，3-双加氧酶 1(IDO-1)是催化色氨酸（L-Trp）分解代谢的限速酶，它通过降解色氨酸营造色氨酸饥饿环境及产生代谢产物来调节肿瘤免疫。目前IDO-1免疫功能的研究已经涉及到慢性感染性疾病、移植和自身免疫性疾病以及恶性肿瘤。在肿瘤中，抑制IDO-1通路是理论上有助于增强肿瘤细胞内源性T细胞介导的抗肿瘤反应。了解IDO-1在肿瘤免疫中的机制，有利于寻找新的抗肿瘤免疫靶点，为研发新的抗肿瘤药物提供理论基础。

1 IDO-1的分子生物学特征

IDO-1是存在于细胞内的含亚铁血红素的单体蛋白质类酶，于1967年首次在兔小肠中被发现。人类IDO-1的编码基因为单拷贝，全长约15kb，由10个外显子和9个内含子组成，其蛋白质产物分子量约42kD，由403个氨基酸构成[1]。2006年人类IDO-1蛋白晶体结构表明IDO-1蛋白由一大一小两个α螺旋结构域及位于其内部的亚铁血红素组成，其活性口袋位于较大结构域中，具有高度亲脂性，由口袋A和口袋B组成。底物可与较大结构域的催化口袋发生氢键、盐桥、疏水等作用[2]。

IDO-1是催化色氨酸（L-Trp）沿犬尿氨酸途径（KP）分解代谢的限速酶，人体内95%的L-Trp沿此途径代谢。此途径的第一步限速反应为L-Trp氧化生成N-甲酰犬尿酸原，目前发现有三种限速酶能够催化此反应：色氨酸双加氧酶(tryptophan2，3-dioxygenase，TDO)、IDO-1 和吲哚胺 2，3-双加氧酶 2（IDO-2）。 虽然 IDO-1、IDO-2 和 TDO都催化相同的生化反应，但它们只具有有限的生物功能、组织表达和底物特异性。IDO-1和IDO-2是IDO的两种异形体，分享43%的序列身份。IDO-2显示了极低的L-Trp降解活性，并存在功能性基因多态性[3]。至于TDO，主要存在肝脏中，与IDO-1的免疫调节作用相比，TDO的功能主要是维持血浆L-Trp的稳态。而IDO-1主要负责L-Trp的非饮食分解代谢，并牵涉到肿瘤免疫耐受[4]。LTrp主要是沿犬尿酸途径进行一系列的氧化分解，最终生成犬尿烯酸、黄尿烯酸、2-氨基黏康酸、2-吡啶甲酸、喹啉酸和最终的NAD+等一系列代谢产物[5]。

2 IDO-1与肿瘤组织

2.1 IDO-1在肿瘤组织中的表达 IDO-1分布在许多人体组织中，包括胎盘、肺 小肠、结肠、脾脏、肝脏、肾脏、胃和脑等器官[7]。在人体成纤维细胞、B淋巴细胞等多种细胞内均有表达，在抗原提呈细胞（大吞噬细胞及树突状细胞（DC））中表达最多[6]。正常状态下IDO-1的表达水平低，但在感染、炎症及细胞因子的作用下可显著增加表达。

在肿瘤中IDO-1广泛过表达于肿瘤细胞、肿瘤间质细胞以及肿瘤区域引流淋巴结的DC，且IDO-1的高表达与患者的预后密切相关。Lee SJ等[7]对89例高微卫星不稳定性结肠癌研究发现，有28.1%（25例）患者观察到IDO-1的高表达；且IDO-1高表达在单变量分析中与更好的无病生存（DFS）有显著的关联。刘洪芹等[8]在恶性黑色素瘤中发现IDO-1的阳性率为58.1%(50/86)，且IDO-1阳性患者的无病生存期均较阴性患者长，故其表达水平可作为恶性黑色素瘤评估预后的参考指标之一。但Huang Q等[9]在结直肠肿瘤中发现IDO-1高度表达与患者生存率成反比，且研究发现miR-153可以直接抑制IDO-1的表达；然而，miR-153的过度表达并不直接影响癌细胞的存活、凋亡，只有当结肠癌细胞成为T细胞的目标时，肿瘤细胞内的miR-153过度表达才能明显增强T细胞的杀伤，并抑制小鼠的异种移植肿瘤的生长。该研究表明通过miR-153抑制结肠癌细胞中IDO-1的表达，可以增强CAR T细胞在肿瘤免疫抑制中的作用。Volaric A等[10]通过免疫组织化学对非小细胞肺癌（NSCLC）进行IDO-1和PD-L1表达的评估，分别对152例NSCLC（51例腺癌、9例腺鳞癌和42例鳞状细胞癌）进行评估。在43%的NSCLC中发现了IDO-1的表达 （42%的腺癌，44%的腺鳞癌，43%的鳞状细胞癌）；且IDO-1与PD-L1（1%）的共同表达是很普遍的（总体上是27%：腺癌的27%，腺鳞癌的33%，以及26%的鳞状细胞癌）。22种肺癌模型表明，使用IDO-1抑制剂减少了IDO-1的表达，从而降低了肿瘤的负荷，提高了存活率。Rosenberg AJ等[11]利用癌症基因组图谱（TCGA）和免疫组织化学（IHC）的基因表达分析IDO-1在食管癌中的作用和预后意义，发现在食管鳞状细胞癌（SCC）和腺癌（AC）中，高 IDO-1 mRNA 水平与较差的整体生存率（OS）有关，且IDO-1和程序性死亡配体1（PD-L1）的高共同表达与SCC和AC的更差的总体生存率有关。综合之前的研究分析，只有在恶性黑色素瘤及高微卫星不稳定性结肠癌中，ID0-1的高表达才与良好的预后具有相关性；而在大多数肿瘤中IDO-1的高表达均提示不良的预后。例如在肝癌、卵巢癌、急性髓性淋巴瘤、乳腺癌、肾细胞癌、宫颈癌、子宫内膜癌及鼻咽癌等肿瘤中均研究表明有IDO-1的高表达，且高表达提示肿瘤恶性程度高、侵袭性强，患者预后差、生存率低。

2.2 IDO-1在肿瘤细胞高表达的机制 截至目前为止，肿瘤细胞高表达IDO-1的机制并非十分明确。激活的T淋巴细胞可以在肿瘤微环境中表达干扰素，从而诱导大多数组织和细胞表达IDO-1，并抑制T细胞对肿瘤细胞的反应。人体许多的肿瘤在没有T细胞浸润的情况下仍然通过PGE2激活PKC和PI3K信号来表达IDO-1，而PGE2可以通过MAPK信号传递的环氧化酶2（COX2）诱导生产[12]。由于许多肿瘤在这些信号通路中存在致癌突变，它们亦可以在没有干扰素的情况下出IDO-1高表达[13]。有研究报道IDO-1在肿瘤细胞中表达异常与肿瘤抑制基因Bin1有关，Bin1蛋白通过下调IDO-1的表达，抑制肿瘤生成和肿瘤免疫耐受。临床上发现乳腺癌、前列腺癌和黑色素瘤等多种肿瘤中都存在Bin1基因缺失和IDO-1过表达，这也与肿瘤患者的不良预后有关[14]。

3 IDO-1与肿瘤免疫

3.1 肿瘤免疫逃逸 肿瘤的免疫逃逸是指体内的肿瘤细胞绕过免疫系统的监控、识别和攻击，从而在体内增殖的现象。新出现的肿瘤的遗传和生化特征是由免疫编辑过程建立的，它可以同时预防和促进肿瘤的形成，包括三个连续的阶段，即消除、平衡和逃逸。在第一阶段（消除）中，大多数转化细胞通过效应细胞的作用被有效地识别和破坏，如NK细胞和T细胞。在这个阶段，IDO-1在肿瘤微环境中低水平产生，并抑制肿瘤扩散。在平衡阶段，存活的肿瘤细胞通过免疫系统的持续攻击和积累突变而编辑。在逃逸阶段，肿瘤细胞和被招募到肿瘤微环境的耐受性的免疫细胞大量产生IDO-1。增加的IDO-1活动会导致犬尿氨酸（Kyn）的生成，从而抑制效应T细胞和NK细胞功能。与此同时，IDO-1诱导Treg细胞、DCs和 MDCSs的激活和扩张，进一步抑制了抗肿瘤T细胞的功能。这些机制共同建立了支持肿瘤生长的免疫抑制肿瘤微环境[15]。

3.2 IDO-1与机体免疫 L-Trp是人体内含量较少的必需氨基酸，对维持细胞活化和增殖有重要意义，也是T淋巴细胞保持活性和生存所必需的氨基酸。人体内95%的L-Trp通过犬尿氨酸途径分解代谢，而IDO-1是犬尿氨酸代谢途径第一步中最重要的限速酶。IDO-1表达的升高可以加速LTrp沿犬尿氨酸途径分解代谢，从而造成局部微环境“色氨酸饥饿”，而L-Trp是机体内T淋巴细胞增殖、分化所必须的氨基酸，L-Trp的缺乏会抑制T细胞的免疫功能；另外，L-Trp沿犬尿氨酸途径分解代谢的产物会促进未成熟T淋巴细胞向抑制性T细胞（Tregs）分化以及诱导成熟T淋巴细胞凋亡；故IDO-1的高表达会抑制人体的免疫功能，在局部微环境中营造的“色氨酸饥饿”状态可以使肿瘤细胞逃避人体的免疫抑制。首次揭示IDO-1与机体免疫相关，是在妊娠状态下IDO-1通过降解局部L-Trp，抑制母体T淋巴细胞的反应，介导免疫耐受，从而保护胎儿免受母体免疫攻击，有利于妊娠维持，至此揭开了IDO-1与机体免疫的新篇章。

3.3 IDO-1介导肿瘤免疫逃逸的机制 目前提出了各种解释免疫逃逸的机制，包括免疫编辑、定向调控T细胞功能、抗原呈递、免疫抑制调节剂的修饰、耐受性和免疫偏差、细胞毒性T细胞凋亡等。在认识到这些不同机制之间的复杂性和相互作用的同时，本文将重点介绍IDO-1介导的L-Trp代谢及代谢产物在免疫逃逸中的作用。

IDO-1可以在肿瘤细胞中表达也可以在宿主的抗原提呈细胞中表达，通过过表达IDO-1，肿瘤细胞可以营造一个免疫抑制的微环境来阻断宿主抗肿瘤的免疫反应[16]。目前，研究发现IDO-1介导肿瘤免疫逃逸的机制主要有以下三种：

⑴抑制T细胞增殖：L-Trp是T淋巴细胞活化增殖所必须的氨基酸，IDO-1降解L-Trp，使局部组织微环境中的L-Trp耗尽，导致转运L-Trp的tRNA处于游离状态，压力应答激酶(general control nonderepressible 2，GCN2)因其含有一个感应游离tRNA的变构调节位点而得到激活，活化的GCN2激酶使下游的真核细胞转录起始因子-2α(Eukaryotic translation initiation factor-2α，eIF-2α)磷酸化，导致eIF-2α促转录功能弱化，从而抑制T细胞中多种RNA的转录和蛋白质的翻译过程[17]。

⑵促进T细胞凋亡：首先，L-Trp的缺乏能够抑制氨基酸感应激酶1(master amino acid-sensing kinase 1，GLK1)，进而抑制 m-TOR 信号分子，触发T细胞免疫无能和自噬[18]。再者，IDO-1通过催化L-Trp代谢，产生的代谢产物如L-犬尿酸、吡啶甲酸、3-羟基氨基苯甲酸、奎林酸对T细胞具有毒性作用，能抑制T淋巴细胞功能，甚至能引起T淋巴细胞的凋亡[19]。最后，IDO-1依赖性的色氨酸降解导致L-犬尿氨酸水平的提高，也可以诱导氧自由基介导的T细胞凋亡[20]。

⑶调节T细胞的转化及功能：首先，IDO-1通过代谢L-Trp产生的KYN是芳香烃受体(AHR)的内源性配体，KYN与AHR结合导致未成熟的CD4+T细胞分化为抑制性T细胞 (Treg)，此外，KYN与AHR结合也能诱导IDO-1的表达，进一步抑制T细胞的免疫应答[21]。再者，肿瘤微环境中异常存在的PGE2诱导致耐受型DCs过表达ID0-1，在耐受型DCs中IDO-1的表达能够促进DCs成熟，从而间接活化抑制性T细胞(Treg)[22]。Chen[23]等研究发现，高表达IDO-1的DCs可通过CpG基序上调表面分子B7也可使抑制性T细胞(Treg)增殖，从而抑制活化T细胞的免疫功能。综合研究结果提示，诱导肿瘤局部抑制性T细胞(Treg)的增殖是IDO-1介导局部微环境发生免疫耐受的主要调控机制[24]。

另外，也有研究[25]显示IDO-1可以不依赖其酶活性，而是作为信号分子参与免疫耐受的调节，揭示了TGF-B诱导免疫耐受的分子机制。

4 IDO-1抑制剂

根据IDO-1的调节及效应机制，以IDO-1为靶点的抑制剂可通过抑制IDO-1基因表达、抑制IDO-1活性及阻滞其效应途径发挥治疗的作用。目前国内外研究主要集中在以直接抑制IDO-1活性方面，如 D-1MT、NLG919 和 INCB024360 等[26]。 但是截至目前为止尚无IDO-1抑制剂作为肿瘤免疫疗法药物上市，目前已有3个IDO-1抑制剂 (D-1MT，INCB024360和NLG919)已经进入了临床试验阶段，另外还有许多IDO-1抑制剂处于生物活性测试阶段[27]。 Indoximod（D-1MT）是 New Link Genetics公司研发的最具代表性的色氨酸类似物，为IDO-1的竞争性抑制剂；目前刚进入Ⅱ期临床试验阶段，用于前列腺癌、乳腺癌、黑色素瘤、胰腺癌等多种肿瘤的治疗。Epacadostat（INCB024360）是Incyte公司研发的N-羟基脒类IDO-1抑制剂，主要用于卵巢癌、黑素瘤和骨髓增生异常综合征的治疗；目前Epacadostat与Pembrolizumab联用于转移性黑素瘤的治疗项目于2016年6月进入Ⅲ期临床研究阶段。GDC-0919（NLG919）是Genentech公司研发的活性较好的IDO-1抑制剂，目前NLG919处于临床Ⅰ期研究阶段，用于复发性和进行性实体瘤的治疗[28]。

除了生物标记和化学抑制剂的应用之外，IDO-1可以通过基因组编辑工具的基因定位，为癌症患者提供新的治疗机会。在动物实验中，对IDO-1表达的遗传抑制重新激活了对IDO+癌细胞的抗肿瘤免疫反应和抑制肿瘤生长[29]。例如，shIDO-ST治疗是基于一种沙门氏菌（ST）载体，它编码了一个针对IDO-1（shIDO）的小发卡RNA[30]。在小鼠的肿瘤组织中静脉注射的shIDO-ST，引起了多形核中性粒细胞（pmn）的IDO-1的沉默和伴随的浸润和激活。pmn产生活性氧，为肿瘤细胞生长建立了高毒性的微环境[31]。

5 结语

目前在肿瘤免疫治疗的研究中，PD-1/PD-L1抑制剂及CTLA-4抑制剂已经成功上市，并在肿瘤治疗中表现出强大的抗肿瘤效果，这使得肿瘤免疫治疗备受重视。随着对IDO-1在肿瘤免疫逃逸机制中的深入研究，IDO-1在肿瘤免疫调控中的机制不断阐明，但还是有许多尚未解决及并不明朗的问题需进一步探索研究，例如：①肿瘤细胞通过何种机制诱导自身IDO-1高表达并未十分明确；②L-Trp既是肿瘤细胞生长所需要的营养物质，也是免疫细胞增殖离不开的氨基酸，在肿瘤微环境中如何控制L-Trp的浓度，既能不供给肿瘤营养物质又有利于免疫细胞发挥免疫抑制作用；③LTrp在血浆中有游离状态和蛋白结合状态，这两者平衡的机制是什么，是否可以通过调控该平衡来减少肿瘤细胞对游离状态L-Trp的利用而又不影响免疫细胞的增殖。只有探明IDO-1过表达的原因，才能从源头更好的通过抑制IDO-1的表达达到抑制肿瘤生长的目的。相信在不久的将来IDO-1抑制剂必定会造福肿瘤患者。