基质细胞在肿瘤微环境中作用的研究进展△

王剑锋，高磊，周天，周相男，胡凯文#

1北京中医药大学第二临床医学院，北京 100029

2北京中医药大学东方医院肿瘤科，北京 100078

在全球范围内，恶性肿瘤是造成死亡的原因之一，且其发病率和病死率逐年增加[1]。恶性肿瘤细胞的十大标志性特征为维持生长信号、逃避生长抑制、促进侵袭和转移、抵抗细胞凋亡、促进血管生成、维持增殖信号、细胞能量异常、逃避免疫打击、基因的不稳定性和易突变性以及诱导肿瘤炎症反应发生。恶性肿瘤的特征与肿瘤细胞招募的基质细胞的类型及其之间相互作用形成的肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）密切相关[2-3]。TME是肿瘤细胞生存和发展的特殊环境，主要由细胞外基质、基质细胞、血管和淋巴管网络组成，TME与肿瘤的发生、发展和转移密切相关，相对健康的TME对肿瘤的发生、发展起抑制作用，反之起促进作用[4]。TME中的基质细胞可分为免疫浸润细胞（infiltrating immune cell，IIC）、血管生成细胞（angiogenic vascular cell，AVC）、肿瘤相关成纤维细胞（cancer associated fibroblast，CAF）和肿瘤相关脂肪细胞（cancer-associated adipocyte cell，CAA）等[5]，而基质细胞的类型和比例关系着TME所起的作用，如促瘤作用、抑瘤作用或双向调节作用。本文对TME中基质细胞的作用进行综述。

1 IIC

1.1 TAM

肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophage，TAM）是指TME中的巨噬细胞，而巨噬细胞是先天免疫系统的重要组成部分，在维持组织稳态、预防病源感染和预防炎症反应方面具有重要作用，是单核吞噬系统中的可塑性细胞。巨噬细胞受周围微环境的影响而可以极化为典型激活的M1型巨噬细胞与交替激活的M2型巨噬细胞[6]。M1型极化巨噬细胞被认为具有抗炎和抗肿瘤的作用；M2型巨噬细胞能够促进免疫抑制，并有利于TME中导致肿瘤进展的异常血管的形成，从而促进肿瘤进展[6-8]。TAM是TME中数量最多的肿瘤浸润性免疫细胞[9]。然而TAM是一种转录和表型特征不同于M1型和M2型的巨噬细胞，由于TME的复杂性和可塑性，目前很难找到TAM的特异性标志物，其表型特征与M2型巨噬细胞更接近[10-12]。

1.2 TAN

肿瘤相关中性粒细胞（tumor-associated neutrophil，TAN）是被肿瘤细胞释放的相关细胞因子和趋化因子募集至TME中的中性粒细胞。中性粒细胞来源于骨髓的髓样前体细胞，约占白细胞总数的50%～70%，是天然免疫应答的主要反应细胞类型，最先对炎症和组织损伤做出反应，能够通过多种机制介导宿主防御反应，是TME的重要组成部分[13-14]。TME中的相关因子如转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）可以抑制TAN极化为N1型TAN，并刺激TAN向N2型极化，N1型TAN通过直接或间接的细胞毒性发挥抗肿瘤活性，N2型TAN通过DNA的不稳定性或细胞因子和趋化因子的释放来刺激免疫抑制、血管生成及肿瘤的生长、增殖和转移[15-17]。

1.3 MDSC

髓源性抑制细胞（myeloid-derived suppressor cell，MDSC）来源于骨髓造血干细胞分化而来的未成熟的、具有免疫抑制性的髓系细胞群，即粒细胞、巨噬细胞、树突状细胞（dendritic cell，DC）或早期髓系祖细胞的前体，在肿瘤衍生因子的作用下无法分化成为成熟的髓系细胞，其确切性质取决于宿主肿瘤和肿瘤来源因素[18]。MDSC具有较强的免疫抑制活性，尽管MDSC的免疫抑制作用在不同TME和不同免疫细胞中具有异质性，但MDSC的主要靶标是T细胞[18]。MDSC介导的T细胞抑制有多种途径，包括通过产生精氨酸酶1（arginase 1，ARG1）消耗微环境中的L-精氨酸和产生一氧化氮合酶 2（nitric oxide synthase 2，NOS2），这两条途径均能阻断T细胞CD3Zeta链的转录，抑制T细胞的增殖，促进T细胞凋亡[19]。有研究将MDSC比作TME的“蜂王”，认为其能够保护肿瘤细胞，使肿瘤细胞逃避免疫细胞的攻击，促进肿瘤进展[20]。

1.4 Treg

调节性T细胞（regulatory T cell，Treg）是具有免疫抑制作用的一类CD4+T细胞亚群，在肿瘤免疫中，Treg细胞通过抑制抗肿瘤免疫参与肿瘤的发生、发展[21]。根据来源的不同，Treg可分为来源于胸腺的自然性调节性T细胞（natural Treg，nTreg）和来源于外周淋巴器官的诱导性调节性T细胞（induced Treg，iTreg）[22-23]。TME中的Treg在表型和功能方面不同于传统的T细胞，其类似于iTreg[24]。Treg细胞具有多种免疫抑制机制，例如，通过细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4（cytotoxic T-lymphocyte associated protein 4，CTLA-4）抑制DC表达的CD80和CD86的共刺激信号，通过高表达CD25消耗IL-2，抑制细胞因子的分泌，调节色氨酸和腺苷的代谢，以及直接杀伤效应性T细胞[21]。Treg在TME中大量浸润，不仅能够抑制肿瘤免疫，还能够促进肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移[25]。

1.5 Th

辅助T细胞（T helper cell，Th）表达CD4+，通常所称的CD4+T细胞即指Th。CD4+T细胞是获得性免疫的主要组成部分，是宿主对许多病原体反应的激活和调节过程中不可或缺的一部分。未受抗原刺激的初始CD4+T细胞为Th0。抗原性质和细胞因子等因素调控Th0向不同谱系分化，如Th1、Th2、Th9、Th17、Th22和滤泡辅助性T细胞（follicular helper T cell，Tfh）[26]。Th1和Th2是最早被确定的、最具有特征的Th亚群[27]。

Th1被认为是肿瘤免疫中最重要的辅助细胞类型，可通过释放激活肿瘤细胞表面死亡受体的细胞因子直接杀死肿瘤细胞，增强CD8+T细胞反应或直接激活巨噬细胞，还能够激活DC的细胞毒性，以干扰素（interferon，IFN）-γ依赖的方式消除肿瘤细胞，并提供来自被杀死的肿瘤细胞的肿瘤相关抗原来源[27-29]。Th1细胞有助于将自然杀伤（natural killer，NK）细胞和Ⅰ型巨噬细胞招募至肿瘤部位，这两种细胞可协同杀灭肿瘤[27]。

Th2细胞对抗肿瘤细胞免疫的贡献有些矛盾，其作用可能取决于环境[27]。Th2介导的免疫传统上被认为有利于肿瘤的生长，既可以促进血管的生成，又可以抑制细胞介导的免疫和随后的肿瘤细胞杀伤。虽然有证据表明，Th2可以协助B细胞产生抗体，并抑制细胞毒性T细胞（cytotoxic T lymphocyte，CTL）的功能，产生白细胞介素（interleukin，IL）-10，促进了肿瘤的生长。但也有研究表明，CD4+T细胞亚群中的Th2细胞具有抗肿瘤的活性，尤其是可与肿瘤浸润性粒细胞（如嗜酸性粒细胞）协同作用[30-31]。

Th17对于肿瘤具有双重作用，Th17细胞不仅能通过促进肿瘤血管生成或抑制肿瘤免疫活性而促进多种恶性肿瘤的生长，还能通过向肿瘤募集免疫细胞，刺激效应CD8+T细胞，或向Th1表型转变，产生IFN-γ，从而介导抗肿瘤免疫反应，同时有证据表明，过继转移的Th17细胞可以引起肿瘤模型小鼠产生持久的抗肿瘤反应，TME中的细胞因子、共刺激分子和细胞间相互作用均能够影响Th17细胞的作用，继而影响了Th17细胞发挥的是促肿瘤作用或抗肿瘤作用[32-33]。

Th22是以表达IL-22为特征的Th亚群，其功能主要是由IL-22和肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）介导的，IL-22受其他细胞因子和组织微环境的影响，可能同时具有抗炎和促炎作用。尽管如此，IL-22被认为属于致病性Th17细胞因子，可以促进炎症和自身免疫疾病的发生。Th22细胞被普遍认为具有致病性[26]。IL-22在肺腺癌和肝细胞癌等多种肿瘤中起到促进肿瘤细胞生长的作用[34]。有研究显示，共同产生IL-17/IL-22的Th17、Th22和CD4+细胞于结肠癌组织中的积累可能与结肠癌的发生、发展有关[35]。

Th9以分泌IL-9为特征，Th9细胞来源的IL-9被证实在实体瘤中发挥抗肿瘤作用，Th9的抗肿瘤作用与IL-9、Eome和Traf6的高表达有关，Th9具有充分的细胞溶解能力以及高度增殖、不易耗尽的特点，使其同时具备Th1和Th17的优势，既有与Th1细胞一样强大的杀伤肿瘤细胞的活性，又有Th17细胞干细胞样的持久性特征[36]。Th9细胞被证明既能激活先天免疫应答，又能激活获得性免疫应答，从而发挥抗肿瘤作用[37]。

Tfh是一种存在外周免疫器官淋巴滤泡的CD4+T细胞，是辅助B细胞应答的关键细胞，是产生记忆性B细胞和长期分泌抗体的浆细胞所必需的[38]。肿瘤浸润的Tfh细胞与肿瘤内产生IFN-γ的Th1、CD8+T和B细胞的增加有关，且与肿瘤结局的改善有关，有效和可持续的抗肿瘤免疫需要依赖Tfh的B细胞反应和T细胞反应之间的共同作用[38]。然而，Tfh样细胞介导的B细胞成熟有助于为肿瘤中具有促瘤作用的M2b巨噬细胞的极化创造条件[39]。

1.6 CTL

CTL表达CD8+，通常所称的CD8+T细胞即指CTL。CD8+T细胞在抗肿瘤免疫中起核心作用，其效应CTL通过其表达的T细胞受体识别主要组织相容性复合体Ⅰ（major histocompatibility complexⅠ，MHCⅠ）上的肿瘤相关抗原，从而杀灭肿瘤细胞[40]。CD8+T细胞通过与DC、NK细胞和CD4+T细胞相互作用，启动细胞形成效应CTL，通过颗粒胞吐途径，如释放穿孔素、颗粒酶、颗粒溶素等物质，以及Fas-FasL/肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-肿瘤坏死因子受体（tumor necrosis factor receptor，TNFR）途径诱导FasL或分泌TNF-α介导凋亡，从而杀伤肿瘤细胞[41]。TME中CD8+T细胞的浸润与乳腺癌、肺癌、黑色素瘤、结直肠癌和脑癌等多种恶性肿瘤的良好预后有关[42-43]。Treg和M2型巨噬细胞可促进这些细胞上共抑制受体的表达，抑制TME内的免疫激活信号，限制新招募的CD8+T细胞向肿瘤间质募集，促进其耗竭，这些均有利于肿瘤的进展和侵袭[41]。

1.7 DC

DC起源于骨髓中的造血前体细胞，是体内功能最强的专职性抗原呈递细胞（antigen presenting cell，APC），可激活初始T细胞。DC通过摄取、处理和呈递抗原，激活具有抗原特异性的CD8+T细胞，从而启动适应性免疫反应[44]。DC能够诱导幼稚的CD4+T细胞分化为Treg和Th亚群[45]。DC通过可溶性因子调节TME，并吸引和介导抗肿瘤T细胞的启动，在抗肿瘤免疫中发挥核心作用；另外，其通过招募和激活不同的免疫细胞从而促进有效的抗肿瘤免疫，但TME含有丰富的免疫抑制因子，限制了DC的免疫刺激能力，并使DC偏向抗炎表型[46]。在大多数实体瘤中，肿瘤浸润树突状细胞（tumor infiltrating dendritic cell，TIDC）的密度与病理分级、肿瘤分期均呈负相关，与良好的预后呈正相关[44]。TME中的相关细胞或因子对TIDC的抑制和调节削弱了DC介导的抗肿瘤免疫功能，甚至促进了肿瘤的进展[40]。

1.8 B 淋巴细胞

B淋巴细胞简称B细胞，来源于骨髓淋巴样干细胞，不仅能通过产生抗体发挥特异性体液免疫的功能，还作为一类APC参与免疫调功能的调节。B细胞在肿瘤免疫中发挥着不同的作用。B细胞是体液免疫的主要效应细胞，可通过分泌免疫球蛋白促进T细胞反应，直接杀伤肿瘤细胞，从而抑制肿瘤的进展。B细胞及B细胞相关途径在通过体液免疫激活的免疫应答中以及通过三级淋巴结构（tertiary lymphoid structure，TLS）形成的局部免疫激活中起关键作用[47]。B细胞可见于肿瘤浸润边缘，但更多见于TME附近的引流淋巴结和淋巴组织。B细胞向TME的浸润与乳腺癌、卵巢癌的良好预后有关，但是，B细胞和免疫球蛋白在皮肤癌遗传小鼠模型中发挥促进肿瘤发生、发展的作用[48]。调节性B细胞（regulatory B cell，Breg）是一个新确定的B细胞亚群，已被证明在调节涉及炎症、自身免疫和肿瘤免疫反应中发挥关键作用，可通过分泌IL-10等抗炎介质抑制包括T细胞在内的多种细胞亚型，促进T细胞向Treg转化，从而减弱抗肿瘤免疫反应[49]。

1.9 NK 细胞

NK细胞是属于固有淋巴细胞，在天然免疫系统中具有强大的细胞毒性，占所有循环淋巴细胞的15%[50]。血液循环中静息的NK细胞能够被IL-12、IL-15或IL-2、IFN-α、IFN-β等NK细胞刺激因子快速激活，从而浸润大部分肿瘤组织[51]。NK细胞活性的调节取决于种系编码的激活受体和抑制受体，激活受体识别应激诱导的、病原体衍生的或肿瘤特异性的配体，而抑制性受体结合正常细胞上呈现的自身分子。由于抑制和激活受体具有多样性，因此，NK细胞能够识别和杀死一系列肿瘤细胞[50,52]。NK细胞通过释放炎症介质，如细胞因子和趋化因子，激活局部免疫细胞并招募额外的免疫细胞，从而促进自发和急性抗肿瘤反应的发生，还通过释放细胞毒颗粒直接杀死恶性或转化的细胞，最终产生细胞碎片，供APC（包括巨噬细胞和DC）捕获[53]。肿瘤免疫抑制微环境可以上调NK细胞抑制性受体的配体的表达，产生可溶性分子或免疫抑制因子，使肿瘤细胞逃避NK细胞的攻击[54]。TME会损害NK细胞的功能、表型、活化和持久性，甚至导致NK细胞功能异常或衰竭[55-56]。

1.10 MC

肥大细胞（mast cell，MC）由造血干细胞（hemopoietic stem cell，HSC）在骨髓中产生，多能祖细胞（multi-potent progenitor，MPP）在此过程中发挥重要作用[57]。浸润在TME中的MC称为肿瘤相关肥 大 细 胞（tumor-associated mast cell，TAMC）。TME中肿瘤细胞或免疫细胞分泌的干细胞因子（stem cell factor，SCF）、单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemotactic protein 1，MCP-1）、血管内皮生 长因 子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、血管生成素 1（angiopoietin 1，Ang1）等趋化因子可导致TAMC在不同肿瘤中积聚，并且招募MC前体细胞，诱导其成熟和激活[57]。在TME中，MC同时具有促肿瘤和抗肿瘤的特性[58]，一旦其激活和脱粒后就会变得高度促炎，并积极招募先天免疫系统的细胞，以及后天免疫系统的细胞（B细胞和T细胞）来协调发挥抗肿瘤免疫反应，相反，其也可能通过释放VEGF来支持肿瘤血管的生成，释放基质金属蛋白酶9（matrix metalloproteinase 9，MMP9）来降解细胞外基质（extra cellular matrix，ECM）并促进转移，从而有利于肿瘤的进展[59-60]。

2 AVC

肿瘤血管的生成是实体肿瘤增殖、侵袭、转移的标志，肿瘤在不断生长的过程中，TME不断刺激血管的生成，为肿瘤细胞提供能量。若无适当的血管结构满足肿瘤细胞的能量需求，实体瘤直径很难超过2～3 mm，肿瘤血管生成不仅为肿瘤细胞提供营养和氧气，清除代谢废物，而且为转移的肿瘤细胞提供进入循环系统的切入点[61]。

2.1 EC

内皮细胞（endothelial cell，EC）是排列在血管和淋巴管内表面的一种扁平细胞。内皮细胞控制营养物质进入组织，维持血液流动，并调节白细胞的运输。TME中的EC因缺氧和慢性生长因子的刺激等因素会导致内皮功能障碍，使肿瘤血管内皮细胞（tumor endothelial cell，TEC）的形状和大小不规则，边缘起皱，形态异常[62]。TEC在结构和功能上的异常，如增加血管通透性、促进血管生成、促进肿瘤细胞侵袭、促进肿瘤细胞耐药、促进免疫抑制性TME形成，促进了肿瘤的进展和转移[62-64]。

2.2 周细胞

周细胞存在于血管周围，是肿瘤血管系统的重要组成部分，能够稳定血管结构，维持内皮细胞的存活，并且能单独启动血管生成，在肿瘤血管的发展、稳定、成熟及重塑过程中发挥着重要作用[65]。肿瘤血管较差的稳定性与周细胞有关。与正常血管相比，肿瘤血管中的周细胞密度较低，且附着松散[66]。周细胞在TME中的作用是矛盾的，一方面作为TME的组成部分，可能积极参与了一些经典的恶性肿瘤特征，即诱导血管生成、肿瘤的持续生长、肿瘤的转移和逃避免疫监视[67]；另一方面，其功能不全被认为是肿瘤血管生成过多、肿瘤细胞外渗和肿瘤细胞进一步扩散的原因，其通常作为促进血管正常化的靶细胞，某些肿瘤的血管正常化有利于预防肿瘤发生转移，提高氧合作用以增强治疗（如放射治疗）效果，从而抑制肿瘤的生长，并优化启动力量以增加组织间液体的压力，从而有助于实现肿瘤细胞导向的治疗[68-70]。

3 CAF

成纤维细胞是结缔组织中最常见的细胞，在正常情况下主要起到损伤修复的作用[71]。在TME中，存在于肿瘤细胞周边的成纤维细胞被称为肿瘤相关成纤维细胞（tumor-associated fibroblast，TAF），也称为CAF，是TME中最主要的基质细胞。不同来源的活化成纤维细胞导致了CAF表型的异质性，由于CAF的异质性，其在肿瘤的发生过程中具有双重作用。在TME中，CAF可以直接促进肿瘤的生长、侵袭和转移，而且，可以通过促进富氧、免疫抑制和促炎性微环境的形成间接支持肿瘤的发生，还可以通过某种未知的机制抑制肿瘤，此种抑制机制可能与成纤维细胞最初是一种抑制肿瘤生长的细胞类型，但随着肿瘤的发展，受到TME相关因子的影响而转变为促瘤表型有关[72-73]。

4 CAA

浸润在肿瘤细胞周围重塑的脂肪细胞被称为CAA，在TME的低氧、酸性、炎性条件下，脂肪细胞的表型和功能会发生改变，促进肿瘤的进展[74]。脂肪细胞衍生的瘦素和脂联素等脂肪分泌因子，以及胰岛素和胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor 1，IGF1）等生长因子，均对肿瘤的生长起重要作用[75]。脂肪细胞是许多实体肿瘤TME中的主要成分，脂肪细胞产生促进肿瘤生长的代谢物和脂肪因子，为肿瘤细胞生长提供能量，促进肿瘤细胞在原发肿瘤部位和远处转移的侵袭特性，保护肿瘤细胞免受各种治疗的影响[76]。此外，脂肪细胞体积和数量的增加会导致TME的不稳定以及TME内部缺氧的增加，这进一步促进了肿瘤的侵袭和转移[77]。

5 MSC

间充质基质细胞（mesenchymal stromal cell，MSC）又称间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC），是具有成纤维细胞样形态的多能成体祖细胞，可分化为脂肪细胞、成骨细胞、软骨细胞和肌细胞[78]。单纯的MSC对肿瘤具有双向作用，既能促进肿瘤进展，又能抑制肿瘤进展；而肿瘤来源的MSC受TME的影响而仅发挥促进肿瘤进展的作用[79]。MSC对肿瘤细胞有4个主要作用：①影响肿瘤细胞的存活，对肿瘤细胞有促凋亡或抗凋亡的作用；②通过分泌血管生成因子和促进血管周围组织分化成周细胞而促进肿瘤血管的形成；③通过产生CCL5促进肿瘤细胞运动和向远处器官转移；④具有免疫调节作用，抑制Th1淋巴细胞、DC、B细胞和NK细胞的功能[80]。

6 小结与展望

TME在肿瘤进展中的重要性越来越被重视，积极参与肿瘤的进展过程。TME中的肿瘤细胞约占30%。肿瘤细胞在大多数情况下并不是自主生长的，而需要通过基质细胞才能存活和生长。TME中的非肿瘤细胞与肿瘤细胞关系密切，肿瘤内的部分基质细胞在肿瘤中发挥抑制肿瘤或促进肿瘤的作用，部分基质细胞具有双向调节的作用[81]。肿瘤细胞和TME中的基质细胞之间的作用是相互的，其中，肿瘤细胞的行为与肿瘤的发生、发展密切相关，并影响着TME中基质细胞的生物学行为，TME中的基质细胞会影响肿瘤的启动、局部生长或全身扩散的方式[82]。

TME中基质细胞的促瘤或抑瘤作用决定了肿瘤的命运及其侵袭和转移能力，并且与免疫治疗效果和预后有关。免疫检查点（immune chenkpoint，IC）与其配体之间的相互作用负向调节T细胞的活化途径，参与针对特定抗原的生理性免疫应答，IC及其配体与恶性肿瘤免疫抑制微环境的形成的关系密切，是抗肿瘤免疫反应的重要屏障[83]。免疫检查点抑制剂[如抗程序性死亡受体1（programmed cell death 1，PDCD1，也称PD-1）、抗程序性死亡受体配体 1（programmed cell death 1 ligand 1，PDCD1LG1，也称PD-L1）等]在一定程度上能够促进TME中T细胞的活化，从而改变TME，进而抑制肿瘤的发生、发展。近年来，免疫治疗在临床上取得了突破性进展，能够有效延长多种类型恶性肿瘤患者的生存期，但受益人群尚存在局限性，长期使用的敏感性是亟待解决的问题。免疫治疗的有效性通常依赖于肿瘤细胞与TME内免疫调节之间的动态相互作用，TME导致的免疫治疗耐药机制如下：①对于TME内的免疫细胞，特别是T细胞的抑制微环境或缺乏抗原刺激或共刺激信号，可能能够促进肿瘤生长和免疫逃逸；②肿瘤组织周围的生物屏障可能导致免疫细胞迁移至肿瘤部位的数量不足；③抗原特异性T细胞被耗尽或短暂激活，具有有限的抑制肿瘤生长的能力；④淋巴组织直接或间接的APC能力差，TME向引流淋巴结释放的肿瘤抗原不足，导致T细胞启动不足；⑤靶向改变TME中的基质细胞将有利于改变免疫治疗耐药的发生，提高免疫治疗效果[84]。

综上所述，TME内的基质细胞可以塑造TME为抑瘤TME，从而抑制肿瘤侵袭、转移的靶点，也就是说，可以通过调节一种或几种基质细胞，使促瘤的TME转变为抑瘤的TME，减少免疫抑制，从而有利于肿瘤的治疗，对肿瘤患者的预后产生积极影响。