吲哚胺2,3-双加氧酶1在结直肠癌中的研究进展

陶丹, 张圆, 冯继锋

2018年全球癌症统计数据显示,结直肠癌(colorectal cancer, CRC)在全球癌症发病率中居第三位,死亡率居第二位[1]。我国CRC的发病率在恶性肿瘤中居第三位,仅次于肺癌和胃癌,死亡率居第五位[2]。随着手术、放化疗、靶向治疗等的发展,CRC的生存率在过去20年里有所提高,但我国整体五年生存率仍较低。近十年来,免疫治疗在肿瘤研究中获得了越来越多的关注,但目前在CRC中仅限于错配修复缺陷(mismatch repair deficient, dMMR)/微卫星高度不稳定(microsatellite instability-high, MSI-H)的特定基因亚群,仅占患者总数的一小部分,FDA已批准抗PD-1治疗作为该亚组的二线治疗。吲哚胺2,3-双加氧酶1(indoleamine 2,3-dioxygenase 1,IDO1)是肿瘤免疫治疗的一个新靶点,它是细胞内含亚铁血红素的金属蛋白酶,沿着犬尿氨酸途径启动色氨酸分解的第一步,具有免疫抑制作用。IDO1抑制剂与免疫检查点抑制剂联用可能提高免疫治疗疗效。现对IDO1在CRC中的研究进展进行综述。

1 CRC的分子和免疫环境

CRC是一种分子异质性疾病,由四种共识分子亚型(consensus molecular subtypes, CMS)组成。CMS1(MSI免疫型)占CRC的14%,具有超突变、强免疫激活等特点,包括MSI肿瘤;CMS2(经典型)占CRC的37%,包括具有上皮差异的染色体不稳定肿瘤,并伴有WNT和MYC下游靶点的显著上调;CMS3(代谢型)占CRC的13%,为上皮样,以代谢失调为特征,包括KRAS突变肿瘤;CMS4(间质型)占CRC的23%,具有显著的转化生长因子激活、基质浸润和血管生成;另外13%的CRC表现出混合特征。在CMS1和CMS4亚型中可以看到免疫信号的高表达。CMS1肿瘤包括表现出微卫星区域扩张或收缩的肿瘤,其原因是dMMR酶的改变导致突变率增高[3]。在CRC中出现高频率的MSI已被证明与早期疾病的良好预后相关[4]。此外,MSI-H肿瘤也被证明与突变率相关,其突变率是微卫星稳定CRC的20倍,这也反映出,具有更高的新抗原负荷可以预测对免疫治疗的应答[5]。CMS4肿瘤具有典型的髓系趋化因子、血管生成因子、免疫抑制因子和补体成分的高表达,这些因素与CRC预后较差有关,其治疗可能涉及靶向抑制性单核细胞和相关细胞因子的单一或与免疫检查点抑制相结合的方法。

CRC的发生发展是一个由多阶段因素决定的复杂过程。一旦结直肠肿瘤开始形成,免疫细胞必然被招募到肿瘤部位。这种免疫细胞浸润既有助于肿瘤的发生,又参与肿瘤的清除。TNF-α、IFN-γ、IL-1b、IL-6等肿瘤相关免疫细胞产生的细胞因子诱导肿瘤内的活性氧和活性氮,增强遗传损伤和肿瘤进展[6]。相反地,肿瘤中自然杀伤细胞和T淋巴细胞的存在与CRC患者较好的临床疗效和较长的生存期相关[7]。尽管有自然杀伤细胞和T细胞的浸润,肿瘤往往能够逃避细胞溶解,说明肿瘤环境中存在免疫抑制机制。这些发现突出了CRC研究的一个重要焦点,即利用免疫疗法阻断这一过程。

2 IDO1在CRC中的表达及作用机制

IDO1是一种胞内酶,通过催化犬尿氨酸通路的限速步骤,将必需氨基酸色氨酸转化为一系列具有生物活性的第二代谢物。另外两种酶,吲哚胺2,3-双加氧酶2(IDO2)和色氨酸双加氧酶(TDO)也催化色氨酸沿着犬尿氨酸通路的代谢(见图1)[8]。IDO1广泛表达于大多数组织和细胞类型,包括内皮细胞和部分构成肿瘤微环境的细胞——成纤维细胞、巨噬细胞、骨髓源性抑制细胞和树突状细胞,由IFN-γ和IL-6等炎性细胞因子上调和维持。而IDO2主要表达于附睾和肾脏,TDO主要表达于肝脏。CRC常在原发肿瘤和浸润的髓系来源细胞中表达IDO1[9-10]。IDO1的表达似乎是结肠发育不良的一个重要早期事件,可能是由CRC相关的基因突变驱动的。与野生型对照组相比,ApcMin/+小鼠结肠上皮细胞中IDO1的表达更高。有研究表明CRC患者的色氨酸水平降低、犬尿氨酸通路代谢产物增加能够增强IDO1的活性[11]。肿瘤引流淋巴结中高密度的IDO1表达细胞可降低CRC患者的5年生存率[9]。Chen等[12]的研究表明IDO1在CRC中的表达水平与性别、淋巴结转移及临床分期有关,而与年龄、肿瘤浸润深度或转移之间没有显著的统计学关系。

最初,IDO1的作用被认为主要是通过减少炎症环境中色氨酸的可用性来抗菌。Munn等[13]的突破性发现改变了这种观点。他们的研究首次表明,IDO1在调节免疫功能的过程中扮演了重要角色并在怀孕期间阻止了对异基因胎儿的细胞排斥反应。这一发现为进一步研究IDO1的免疫调节潜能铺平了道路,一系列聚焦于IDO1在肿瘤免疫逃逸中的作用的研究相继展开,并得出了许多重要结论。多数结论认为IDO1在肿瘤发生发展中起促进作用,与CRC患者的不良预后有关。现将这些观点归纳如下:①一种普遍的假设是,IDO1通过消耗色氨酸来激活氨基酸感受器GCN2,从而诱导免疫耐受效应。GCN2是一种丝氨酸/苏氨酸(S/T)激酶,在色氨酸浓度较低时磷酸化真核起始因子2a激酶(eIF2a),导致生成蛋白质的能力下降[14]。IDO1激活的GCN2也能够抑制人原始T细胞中脂肪酸的合成,抑制T细胞的增殖及效应功能。②IDO1产生内源性AhR配体犬尿氨酸、犬尿喹啉酸,导致免疫耐受树突状细胞和调节性T细胞的产生,共同形成在识别和根除肿瘤细胞方面存在缺陷的肿瘤免疫微环境[15]。③Moffett等[16]发现IDO1通过敏感T细胞的色氨酸饥饿或色氨酸代谢产生的毒性代谢物(犬尿氨酸)的积累,导致肿瘤微环境中效应T细胞的细胞周期阻滞和死亡,从而显示其免疫抑制作用。④Bishnupuri等[17]发现犬尿氨酸通路代谢物可以快速激活肿瘤上皮细胞中的PI3K-Akt信号通路,促进细胞增殖,抵抗凋亡。⑤IDO1也通过生成色氨酸代谢物和激活β-连环蛋白信号直接促进肿瘤生长和肿瘤上皮增殖,不依赖于对适应性免疫的影响[18]。⑥色氨酸代谢物对自然杀伤细胞功能有负面影响。然而,也有科学家得出了与上述相反的研究结果,如Chang等[19]的研究结果显示在IDO1基因缺陷的小鼠中,结肠炎相关结肠肿瘤的发展呈上升趋势。Lee等[20]研究发现结肠癌肿瘤细胞中IDO1的表达与生存率无显著相关性,另一方面,IDO1在肿瘤浸润免疫细胞(tumor infiltrating immune cells, TIICs)中的表达与更好的无病生存率(DFS)显著相关,此外,CD274、LAG3和IDO1在TIICs中的共表达显著提高了MSI-H结肠癌患者的生存率。也有人认为IDO1诱导的色氨酸代谢物能够诱导肿瘤细胞凋亡。Takamatsu等[21]研究发现IDO1抑制通过增强瘤内炎症促进结肠肿瘤的发生,同时通过增强抗肿瘤免疫反应抑制肿瘤发生。可能IDO1的促肿瘤作用只在对肿瘤有积极免疫反应的患者中明显,对于免疫反应无效的患者,IDO1可能直接抑制肿瘤细胞生长。了解CRC中IDO1的表达机制,将有助于发现在肿瘤治疗中靶向这一通路的新方法,因此值得进一步研究。

图1 犬尿氨酸通路示意图

3 IDO1抑制剂在CRC中的临床研究进展

3.1 1-甲基色氨酸(1-methyl-tryptophan,1-MT)

1-MT是一种典型的IDO抑制剂,毒性低,耐受性好。1-MT有两种外消旋异构体——1-L-MT和1-D-MT。1-L-MT主要分布于胰腺,1-D-MT分布于肾脏。1-L-MT通过诱导有丝分裂细胞死亡抑制人类结直肠癌细胞的增殖。1-D-MT对IDO1的抑制作用较弱,但对IDO2的抑制作用较强,其生理相关性尚不清楚。已有研究表明,1-L-MT对结肠癌细胞的抑制作用大于1-D-MT[18]。Liu等[22]的研究结果证实,1-L-MT的体外抗增殖作用和体内预防CRC的作用是通过IDO诱导的结肠癌细胞周期灾难实现的。IDO的抑制降低了细胞分裂周期蛋白20的转录,导致HCT-116细胞和HT-29细胞的G2/M周期阻滞。此外,1-L-MT诱导线粒体损伤,引起癌细胞凋亡。1-L-MT可以保护小鼠免受偶氮氧甲烷/右旋糖酐硫酸钠的致结肠癌作用,降低死亡率、减少肿瘤数量和大小。Indoximod(NLG-8189)首次作为IDO1通路抑制剂被报道,在I期临床试验中被证明对晚期恶性肿瘤患者具有良好的耐受性[23]。

3.2 Epacadostat(INCB24360) Epacadostat是一种可口服的IDO1选择性抑制剂,竞争性抑制色氨酸与IDO1的催化区域结合。Epacadostat抑制IDO1催化活性与其对免疫细胞功能的调节机制密切相关,它能抑制树突状细胞诱导的Treg增殖、促进树突状细胞成熟。在具有免疫活性的C57BL/6小鼠胰腺癌和结直肠癌的同基因模型中,epacadostat显示出对肿瘤生长的抑制作用[24-26]。Beatty等[27]报告了一项关于epacadostat在难治性晚期肿瘤患者中的首次人体研究结果,研究纳入了52例晚期实体恶性肿瘤患者,其中有29例(56%)患有CRC。Epacadostat的耐受性一般较好,最高剂量可达700 mg BID,服用时无需考虑食物。虽然该研究达到了安全性和生化疗效终点,但没有患者达到完全或部分缓解。

有研究表明,以indoximod和epacadostat为例的第一代IDO1抑制剂作为单一疗法,在晚期癌症患者中没有显示出显著的抗肿瘤活性,使IDO1抑制剂与已获得认可的抗癌药物的联合治疗成为临床研究的焦点。在小鼠模型中,IDO1的表达已被证明可以通过CTLA-4特异性抗体和PD-1特异性抗体介导对癌症免疫治疗的耐药性,并抑制CAR-T细胞功能[28-30]。Mitchell等[31]进行的一项多中心、开放性I/II期临床试验(ECHO-202/KEYNOTE-037)证实epacadostat联合pembrolizumab在黑色素瘤、肾细胞癌、非小细胞肺癌等多种实体肿瘤中的耐受性较好,具有较好的抗肿瘤活性。此外,epacadostat正在与PD-1抑制剂联合用于其他实体肿瘤的I/II期临床试验中,其中一项临床试验包括转移性CRC患者。

3.3 Navoximod Navoximod是一个包含4-苯咪唑(4PI)结构片段的新化合物,4PI是一种色氨酸非竞争性抑制剂,优先结合血红素铁的氧化状态Fe3+。Navoximod在混合淋巴细胞反应试验(EC50=80 nm)中有效抑制了IDO1诱导的T细胞抑制,并恢复了T细胞应答。Navoximod的抗癌作用似乎依赖于促炎性补体通路的激活,Li等[32]认为这是肿瘤组织中IDO1产生局部免疫耐受的关键机制。一项在晚期实体肿瘤患者中联合使用Navoximod与PD-L1抑制剂atezolizumab的I期临床试验表明两药联合显示出可接受的安全性与耐药性,但观察到的临床活性并没有提供比atezolizumab单药治疗更好的证据[33]。

3.4 BMS-986205 BMS-986205是最有效的IDO1选择性抑制剂之一,每天只需口服1次[34-35]。与人类癌细胞共培养的T细胞能够在BMS-986205存在的情况下增殖。在T细胞与表达IDO1的树突状细胞共培养的混合淋巴细胞反应试验中,BMS-986205显示出强大的活性(EC50=1.2 nM)。一项I期临床研究表明,在100 mg和200 mg每日1次的剂量下,血清犬尿氨酸水平降低了>60%。更重要的是,在可评估的治疗前和治疗中的肿瘤组织样本中,BMS-986205可使瘤内犬尿氨酸水平降低90%。随着这些正在进行的I期临床试验的数据逐渐成熟,我们期待BMS-986205在后期临床研究中取得进展,并将其作为标准治疗的补充。

3.5 PF-06840003 PF-06840003是另一种具有口服生物有效性和高度选择性的IDO1抑制剂,已进入脑瘤(复发性四级胶质母细胞瘤或三级间变胶质瘤)患者的I期临床试验。关于这种化合物的特性只有有限的数据被报道。临床前数据显示PF-06840003在体外能够逆转IDO1诱导的T细胞失能,并使小鼠瘤内犬尿氨酸水平降低超过80%。当与免疫检查点抑制剂联用时,PF-06840003可以抑制多种同基因小鼠肿瘤模型的肿瘤生长。基于PK模拟,预计PF-0684003的半衰期为16～19 h,符合QD给药计划[36]。

据报道,IDO1抑制剂的不良反应包括食欲减退、疲劳、恶心、呕吐、腹痛和呼吸困难,这些在抗癌药物的使用中很常见。总的来说,不管是作为单一疗法还是与PD-1/PD-L1抑制剂联合使用,IDO1选择性抑制剂在癌症患者中的耐受性都很好。与CTLA-4相比,IDO1抑制剂的组合毒性似乎更具有耐受性。当患者接受较长时间的最大耐受剂量,以及当他们与化疗和分子靶向治疗联用时,是否能保持良好的安全性,是我们需要密切关注的。

4 总结与展望

自从詹姆斯·艾利森和本庶佑因发现CTLA-4和PD-1信号通路而获得2018年诺贝尔生理学和医学奖以来,肿瘤免疫治疗成为越来越多人关注的焦点。IDO1是一个新的免疫治疗靶点,在CRC中高表达,多项研究表明IDO1高表达是影响整体生存和CRC转移的独立不良预后因素。多种IDO1抑制剂正处于临床试验阶段,虽然在单药试验中没有客观应答,但研究表明IDO1抑制剂可能提高患者对抗PD-1及抗CTLA-4等免疫检查点疗法的应答。ECHO-301试验的失败使IDO1抑制剂的其他III期试验被停止,但考虑到IDO1抑制剂增强免疫功能的潜力,放弃其开发还为时过早,我们期待在今后的研究中能获得更多关于CRC方面的数据。由于目前只有一小部分CRC患者受益于免疫治疗,如何开发新的靶点、扩大CRC的免疫治疗获益群体是值得关注并研究的问题。