肿瘤相关巨噬细胞在肺癌发生、发展中的作用

丁怡睿 何梦钰 蔡清 王艳丽 孔辉 解卫平

南京医科大学第一附属医院呼吸与危重症医学科210029

肺癌是常见的恶性肿瘤之一,尽管肺癌治疗手段在不断发展进步,如化疗方案的完善、针对驱动基因的靶向治疗、抗血管生成治疗、免疫检查点抑制剂的应用以及上述不同治疗方法的联合等明显改善了大多数肺癌患者预后,但晚期患者预后仍然不乐观[1]。

近年来, 与免疫相关的肿瘤微环境 (t u mor microenviron ment,T ME)的研究受到越来越多的重视。T ME由肿瘤细胞、基质细胞和募集的免疫细胞及它们的产物 (如细胞因子和趋化因子)组成,是肿瘤赖以生存和发展的微生态系统[2]。巨噬细胞是免疫防御过程中重要的效应细胞,具有高度异质性和可塑性,隶属于单核巨噬细胞系统。浸润于肿瘤组织的巨噬细胞称为肿瘤相关巨噬细胞(tu mor-associated macrophages,TA Ms),是T ME 中浸润性免疫细胞的主要成分,可通过多种途径促进肺癌的生长、侵袭及远处转移[3]。研究提示,肺癌组织中TAMs的浸润水平和极化状态,与肺癌的治疗效果及患者预后显著相关[4-7]。针对TAMs行靶向治疗或与化疗、PD-1/PD-L1免疫治疗联合,在动物实验中展现出巨大的治疗潜力[8-10]。本文就TA Ms的生物学特性和在肺癌发生、发展中的作用以及在免疫治疗中的价值进行综述。

1 TAMs的生物学特性

1.1 肺的巨噬细胞 以往认为,肺巨噬细胞来源于骨髓造血干细胞。骨髓造血干细胞分化为单核细胞释放至外周血,进入局部组织后转变为巨噬细胞并发挥作用,称为骨髓来源巨噬细胞[11]。

有研究表明,肺组织中的巨噬细胞实际在胚胎发育时期已经形成[12]。在小鼠胚胎发育过程中,巨噬细胞通过两次迁移定植于肺部[13],第一次迁移起源于卵黄囊的原始造血,高表达F4/80;第二次迁移起源于胎儿肝脏单核细胞,表达Mac2且无/低表达F4/80。出生后1周内,Mac2+巨噬细胞通过GM-CSF 依赖性过程分化成肺泡巨噬细胞;F4/80+巨噬细胞则与骨髓来源的巨噬细胞共同组成肺间质巨噬细胞。

肺泡巨噬细胞主要位于肺泡腔,表面标志物Siglec F+CD11b-CD11c+;肺间质巨噬细胞主要位于支气管血管束间质中,表面标志物Siglec F-CD11b+CD11c+[14]。一般情况下,肺泡巨噬细胞、肺间质巨噬细胞生存周期较长,通过自我更新维持平衡,两者因起源不同而无法进行相互转化。炎症反应时,肺部巨噬细胞群的稳态被破坏,外周血单核细胞进入受损部位,分化为与肺泡巨噬细胞或肺间质巨噬细胞有相似表型的骨髓来源巨噬细胞[15]。而在肺癌中,不同巨噬细胞亚群在肺TA Ms 生成中的作用尚不明确。

1.2 TA Ms Gibbings等[16]在小鼠肺癌模型中观察到,肿瘤部位肺间质巨噬细胞的数量随肿瘤生长显著增加,提示肺间质巨噬细胞是TA Ms的重要来源,肺泡巨噬细胞则仅在正常的肺泡组织中被观察到,可能是在肺癌进展期间,肺泡巨噬细胞逐渐消除或发生表型改变。

Zhou等[17]对小鼠肺癌模型研究发现,循环单核细胞可被募集至肿瘤组织,分化为TA Ms。肿瘤细胞分泌的趋化因子 (如CCL2、CXCL12a),IL (如IL-1β)以及细胞因子 (如CSF-1、VEGFA),分别激活单核细胞膜上的G 蛋白耦联受体、Toll样受体/IL-1受体和受体酪氨酸激酶,经下游PI3 Kγ通路激活细胞表面的整合素α4β1,使整合素构象发生改变,配体结合位点显露[18]。单核细胞膜上激活的整合素α4β1易与血管内皮上的细胞黏附分子VCA M-1 结合,使单核细胞紧密黏附于血管壁,进入肿瘤组织后在信号分子作用下分化为TAMs。活化的巨噬细胞经不同信号分子刺激可分化为不同的组织特异性表型。目前的研究显示,小鼠肺癌组织中的TA Ms主要起源于肺间质巨噬细胞和外周循环血中的单核细胞。

1.3 TAMs的极化 巨噬细胞具有可塑性,在不同微环境的作用下分化为不同的表型和功能。经典活化型 (M1型)和替代活化型 (M2型)分别代表了巨噬细胞促炎和抗炎两种极化状态[19]。

脂多糖、γ-干扰素等细胞因子激活巨噬细胞Notch 1-RBP-Jκ通路[20]及JAK-STAT1通路[21],上调M1型相关基因的表达,诱导M1 型巨噬细胞活化。活化后的M1 型TA Ms表面MHCⅡ升高,提呈抗原功能增强;激活诱导型一氧化氮合酶产生一氧化氮;并分泌IL-1β、肿瘤坏死因子α、IL-12、IL-18和IL-23等促炎因子,促进T 细胞募集活化,抑制肿瘤生长。

IL-4、IL-10、IL-13 等细胞因子激活巨噬细胞JAKSTAT6通路[21]及PI3 Kγ-Akt-mTOR 通路[22],抑制NF-κB通路,诱导巨噬细胞向M2 型极化。M2 型TAMs高表达CD206、CD163、CD200 R,并分泌多种抗炎细胞因子,具有抑制炎症反应、促进血管生成、诱导上皮间充质转化和基质重塑、以及促进肿瘤生长等作用。

在肺癌发生、发展过程中,巨噬细胞的极化不能简单地进行二元区别。巨噬细胞同时暴露于促炎信号和抗炎信号,形成M1、M2 混杂的TA Ms群[19]。肺癌早期,大多数TAMs经过经典激活途径表现出M1表型,随着肿瘤生长和炎症反应持续,肿瘤区域出现缺氧和乳酸积累,通过HIF-1α促进巨噬细胞VEGF和精氨酸酶1表达,诱导浸润的巨噬细胞向M2型转换[23],从而抑制机体对肺癌的免疫杀伤作用。对非小细胞肺癌手术标本进行免疫组织化学双染色,结果显示约70%的TA Ms呈现为M2 型[4],这些TA Ms的抗原递呈及肿瘤杀伤能力减低,而促血管生成和基质重塑的能力增强。

2 TAMs在肺癌发病机理中的作用

2.1 抑制肿瘤免疫 机体可通过天然和获得性免疫抑制肿瘤的发生、发展,而肿瘤细胞可通过多种机制逃避机体免疫的识别和攻击。TA Ms抑制抗肿瘤免疫涉及如下机制:(1)肿瘤细胞产生IL-10,诱导TAMs 表面PD-L1 表达[24],与T ME 中T 细胞表面的PD-1结合,抑制细胞毒性T 细胞功能; (2)TA Ms产生CCL22可募集调节性T细胞至T ME中,抑制效应T 细胞的活化和功能[25]; (3)TA Ms产生Arg-1可将L-精氨酸催化水解为尿素和L-鸟氨酸,抑制细胞周期蛋白D3和细胞周期蛋白依赖性激酶4的上调,使T 细胞周期停滞于G0/G1期而无法增殖[26]。

2.2 促进肿瘤血管形成 TA Ms可释放VEGF、CXCL8等促血管生长因子和趋化因子至无血管区域,促进肿瘤血管生成。其中VEGF作用最强、特异性最高,不仅可以促进血管内皮细胞的增殖和血管新生,还可以增加血管的渗透性,有利于肿瘤细胞游离至血管外[27],从而促进肺癌的侵袭和转移。

2.3 增强肺癌细胞侵袭、转移能力 Wang 等[28]研究表明,将巨噬细胞和多个非小细胞肺癌细胞株体外共培养,这些肺癌细胞的基质降解活性和侵袭能力均增加,提示了TA Ms在非小细胞肺癌侵袭和转移过程中发挥重要作用。肺癌细胞产生CSF-1 和CCL2 等趋化因子,募集大量TA Ms至血管周围。TAMs通过合成基质金属蛋白酶等蛋白水解酶破坏基质,使肺癌细胞从基底膜破裂处迁出向外周侵袭、迁移。此外,TAMs还可促进胶原纤维形成,肺癌细胞沿着胶原纤维快速向血管迁移,进入循环系统,从而提高肺癌细胞的转移效率[29]。

3 TAMs在未来肺癌治疗中的价值

TA Ms在肺癌发生、发展中可能发挥了重要作用,因此TA Ms可作为肺癌治疗的靶标,可能通过如下途径抑制肺癌的发生、发展:抑制TAMs募集、诱导TAMs凋亡、改变TA Ms表型。

3.1 抑制TA Ms募集 调控趋化因子及相应受体进而抑制TA Ms募集是TA Ms靶向治疗重要策略。目前已发现多对与TAMs募集相关的趋化因子及受体,CCL2/CCR2 是其中研究最深入的一对。在小鼠Lewis肺癌模型中,敲除宿主CCR2基因,或给予CCR2拮抗剂RS504393,均可减少TA Ms募集,促进TA Ms向M1型极化,抑制肺癌的生长和转移[8]。CSF-1/CSF-1 R 具有相似效应,Salvagno等[9]研究发现阻断CSF-1 R 能够减少肿瘤中TA Ms浸润,提高乳腺癌模型中顺铂疗效。目前以CSF-1R 为靶点的抑制剂正作为单药或与免疫检查点抑制剂联合,用于治疗晚期实体肿瘤的临床试验中。

3.2 诱导TA Ms 凋亡 对于已经存在于T ME 中的TA Ms,抑制其存活是抑制肿瘤生长的有效方法。抗肿瘤药物Trabectedin可通过TRAIL受体激活外源性凋亡途径,减少小鼠Lewis肺癌模型体内的TA Ms,但会影响单核巨噬细胞介导的宿主防御功能[30]。因此,限制药物不良反应对于开发TAMs相关特异性药剂非常重要。Lee等[31]将蜂毒肽与促细胞凋亡肽d (KLAKLAK)2 (d KLA)融合成MEL-d KLA。MEL-d KLA 兼具MEL优先与CD206结合以及d KLA 破坏胞内线粒体膜的特点,诱导CD206+M2 型TA Ms细胞凋亡,降低小鼠Lewis肺癌模型肿瘤生长和血管生成,但对M1型巨噬细胞及其他白细胞没有显著影响。这一发现为选择性抑制TAMs存活提供了新思路。

3.3 改变TA Ms表型 此外,诱导TA Ms向促炎型转化是肿瘤免疫治疗的重要研究方向。TA Ms表型向M1型转化与肿瘤患者和小鼠肿瘤模型的生存率增加有关[22],动物研究发现改变TA Ms表型主要涉及以下3 条信号通路。(1)PI3K/Akt通路:基因敲除或抑制剂阻断TAMs 中PI3 Kγ信号通路,可以刺激并延长NF-κB 活化,同时抑制C/EBPβ,增强促炎因子的表达,抑制小鼠Lewis肺癌模型中肿瘤的生长、转移,提高存活率[18]。PI3 Kγ抑制剂与免疫检查点抑制剂协同治疗,能够抑制肿瘤生长,延长小鼠生存期[10]。 (2)JAK/STAT 通路:在小鼠自发性结直肠癌模型中,敲除STAT3 使TAMs向M1 再极化,细胞毒性T 细胞浸润增加,肿瘤负荷降低[32]。该目标通路的另一个重要靶点是JAK,JAK1抑制剂Baricitinib和JAK1/2抑制剂Ruxolitinib在临床分别用于治疗类风湿性关节炎和骨髓纤维化,有望在癌症免疫治疗方面取得新进展。 (3)Notch通路:TLR 激动剂如poly (I∶C)可以迅速激活促炎因子,使巨噬细胞向M1极化[33]。但另一方面它诱导巨噬细胞表达PD-L1,发挥炎症抑制作用。PD-1 阻断剂与TLR 激动剂联合使用对实体肿瘤的疗效正在研究中。

4 结语

综上所述,TA Ms在肺癌发生、发展中可能发挥了重要作用,肺癌组织中TAMs的浸润水平、极化状态与患者预后密切相关。进一步阐明肺癌患者TA Ms的生物学特征,揭示肺癌发生、发展过程中TAMs的来源、信号转导、免疫功能和代谢特点,在肺癌的治疗中具有重要意义。TA Ms及其相关分子可能是未来肺癌免疫治疗中的新靶点。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突