肿瘤糖酵解与肿瘤免疫微环境关系的研究进展△

王娜，周亚丽，宋飞雪，关泉林

1兰州大学第一临床医学院，兰州 730000

2兰州大学第二医院肿瘤内科，兰州 730000

3兰州大学第二临床医学院，兰州 730000

4兰州大学第一医院肿瘤外科，兰州 730000

随着对肿瘤研究的深入，越来越多的学者认为，肿瘤是免疫逃逸的结果。基于此，目前的研究方向主要为肿瘤代谢和肿瘤免疫微环境的关系。肿瘤细胞在代谢过程中会产生乳酸、消耗能量导致低氧等，从而构建一个免疫抑制的微环境，抑制免疫反应、促进免疫逃逸，为肿瘤的发生、发展、侵袭及转移等提供了条件。同时，免疫微环境中的免疫抑制因子及免疫细胞也为肿瘤的生长奠定了基础，因此，进一步明确肿瘤代谢与肿瘤免疫微环境间的关系可以为抗肿瘤治疗提供一定的参考。

1 肿瘤代谢

1.1 正常组织的代谢

能量代谢是指物质在代谢过程中所伴随的能量产生、释放、转移、贮存和利用的过程。组织细胞的能量主要来自葡萄糖的转化。在氧气充足的条件下，葡萄糖彻底氧化为水和二氧化碳的过程称为有氧氧化，是糖氧化的主要方式，也是大多数细胞获得能量的主要过程。在无氧条件下，葡萄糖或糖原分解为乳酸，伴有能量的产生过程，称为无氧糖酵解。

1.2 肿瘤组织的代谢

肿瘤细胞的代谢不同于正常细胞，其特征之一是可以广泛摄取营养，从而适应不断变化的环境，即使在氧气充足的条件下，仍以糖酵解作为主要的产能方式，这就是Warburg效应[1]。虽然糖酵解产能效率低，仅产生2个ATP，但其产能速度快，产生ATP的速度比氧化磷酸化快一百多倍；同时，糖酵解还能提供多种大分子物质，满足肿瘤细胞对能量和物质的需求；此外，肿瘤细胞有氧糖酵解可再生还原分子NAD+，是三羧酸循环进入糖酵解或其他细胞必需的代谢通路[2]。

2 肿瘤微环境与肿瘤免疫微环境

肿瘤微环境是肿瘤细胞发生、发展的土壤，由内环境和外环境组成，在内外环境共同作用下，肿瘤细胞可以生长转移[3]。肿瘤微环境不仅为肿瘤细胞的存活提供相对适宜的环境，同时肿瘤细胞与肿瘤微环境间的相互作用也会加速肿瘤恶化，增强肿瘤细胞的侵袭力[4-6]。也有研究表明，肿瘤微环境对肿瘤细胞及某些特定器官的生长或侵袭发挥着重要作用[7]。

肿瘤发生后，肿瘤细胞与免疫系统不断地相互作用，逐渐获得了免疫逃逸[8]。随着临床对免疫系统的深入了解以及免疫治疗逐渐应用于临床，有学者再次提出了肿瘤免疫微环境的概念。肿瘤免疫微环境指肿瘤在发生、发展过程中与肿瘤微环境中免疫细胞的浸润、修饰、逃避的关系，也就是由肿瘤细胞、免疫细胞及细胞因子等构成的微环境，也有学者解释为肿瘤微环境中免疫浸润细胞的空间组织和丰度[9-10]。目前，肿瘤免疫微环境已成为重要的治疗靶点，其中程序性死亡受体1（programmed cell death 1，PDCD1，也称PD-1）/程序性死亡受体配体1（programmed cell death 1 ligand 1，PDCD1LG1，也称PD-L1）信号通路尤为引人关注[11]。

肿瘤免疫微环境不仅包括肿瘤细胞本身，还包括多种肿瘤浸润的免疫细胞，如T细胞（70%～80%）、B细胞（10%～20%）、巨噬细胞（5%～10%）、自然杀伤（natural killer，NK）细胞、树突状细胞、成纤维细胞和炎性细胞等[12]。这些细胞主要发挥免疫监视、抗肿瘤作用，但在某些条件下，免疫调控会失去平衡，上述细胞会发生免疫逃逸，促进肿瘤的发生。

T淋巴细胞是人体重要的免疫细胞，对维持机体的免疫平衡有重要作用，但肿瘤细胞可通过各种原因导致T淋巴细胞功能被破坏，从而使免疫监控和杀伤能力丧失，这种情况往往被称为肿瘤免疫逃逸。肿瘤免疫细胞中，CD8+T细胞发挥重要的抗肿瘤作用，但肿瘤介导的T细胞耗竭可以抑制CD8+T细胞发挥细胞毒性作用，从而导致免疫抑制[13]。研究肿瘤浸润T细胞表型的转换机制，尤其是发挥正常功能的效应T细胞转化为耗竭性T细胞的过程，可帮助了解肿瘤的免疫抑制机制，为肿瘤的免疫治疗提供方向。

在肿瘤免疫微环境中，还存在着一种重要的免疫细胞——肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophage，TAM），TAM是肿瘤免疫微环境中数量最多的免疫细胞，可以分泌多种细胞因子，在肿瘤的发生发展过程中发挥重要作用，但随着肿瘤细胞的侵袭、转移，TAM发挥着双刃剑的作用，根据巨噬细胞的活化类型及其在微环境中作用的不同，TAM可分为M1型和M2型，M1型巨噬细胞具有杀伤肿瘤细胞的作用，M2型巨噬细胞则具有促进肿瘤细胞生长的作用[14]。

NK细胞也是机体重要的免疫细胞，是除T细胞、B细胞外的第三大类淋巴细胞，约占血液中所有免疫细胞的15%，与机体其他多种免疫细胞相互作用，共同调节机体的免疫状态和免疫功能。NK细胞不但可以分泌肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、γ干扰素（interferon-γ，IFN-γ）和白细胞介素-12（interleukin-12，IL-12）等多种细胞因子来增强机体的抗肿瘤免疫作用，还可以通过死亡受体介导的靶细胞凋亡和抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用（antibody dependent cell mediated cytotoxicity，ADCC）发挥肿瘤杀伤作用。目前认为，肿瘤细胞可通过肿瘤微环境中基质细胞等分泌免疫抑制因子，如诱导自然杀伤细胞2族成员D配体（natural killer group 2 member D ligand，NKG2DL）的表达，来下调NK细胞表面受体的表达，从而逃避NK细胞的攻击[15]。

树突状细胞为目前己知功能最强的抗原提呈细胞，与肿瘤的发生、发展密切相关，肿瘤微环境中浸润的树突状细胞多，则患者的免疫反应好，预后相对较好。肿瘤微环境中存在多种抑制性细胞因子，可形成免疫抑制微环境，作用于树突状细胞后可抑制树突状细胞的抗原呈递功能，进而导致机体的免疫耐受，促进肿瘤逃逸。因此若通过调节微环境中的免疫因子的表达来增强树突状细胞的抗肿瘤效应，并优化树突状细胞的免疫治疗，激活机体免疫系统，可发挥肿瘤免疫治疗的作用[16]。

在肿瘤免疫微环境中，除肿瘤细胞、免疫相关细胞外，还存在肿瘤相关成纤维细胞、血管内皮细胞等非免疫细胞，它们在维持肿瘤微环境的平衡方面发挥着重要作用。成纤维细胞主要来源于胰腺和肝脏组织中的成纤维细胞或星状细胞，其他细胞如髓间充质干细胞、脂肪细胞等可受肿瘤源性刺激的影响而转化为成纤维细胞。成纤维细胞的主要作用是促进肿瘤的发生，但部分情况下也可发挥抗肿瘤作用。成纤维细胞是肿瘤微环境的核心成分，不仅可与肿瘤细胞相互作用，也可以影响肿瘤微环境的其他成分（如细胞外基质和免疫浸润），因此成纤维细胞也可能作为抗肿瘤治疗的靶点[17]。

肿瘤血管是肿瘤营养物质来源及输送的重要通道，肿瘤血管生成在肿瘤发生发展过程中发挥重要的促进作用，肿瘤微环境可调控肿瘤血管生成，从而抑制肿瘤细胞的生长和转移[18]，而血管内皮细胞作为肿瘤微环境的重要组成部分，在肿瘤细胞转移方面发挥了重要的辅助作用，且不易产生耐药性，因此人们将血管生成作为抗肿瘤治疗的靶点，尤其在联合治疗方面，是一个非常重要的治疗手段[19]。

3 肿瘤代谢对肿瘤免疫微环境的影响

肿瘤的代谢与肿瘤免疫微环境之间互相影响、互相作用。肿瘤的代谢以糖酵解为主，糖酵解产生的乳酸堆积会导致肿瘤免疫微环境处于酸性状态，同时肿瘤细胞的生长需要消耗大量的能量，也可导致肿瘤免疫微环境处于低氧、低能的状态，这种低氧、低能、低pH值的微环境对人体的免疫系统产生了巨大的影响，可影响T细胞功能，促进肿瘤细胞的免疫逃逸，促进肿瘤细胞的发生、发展和转移。同时，肿瘤代谢过程中会产生免疫抑制因子，改变免疫细胞的功能，使肿瘤微环境处于免疫抑制状态，进一步加速了肿瘤的发生。既往Cell杂志发表的文章曾提出了一种可能，即可以通过调控肿瘤代谢来提高肿瘤内的免疫细胞功能、抑制糖酵解酶的表达，从而减弱肿瘤细胞的糖酵解，使肿瘤微环境中的葡萄糖水平恢复正常，激活T细胞活性，发挥抗肿瘤作用。因此，可通过抑制肿瘤的糖酵解来增强T淋巴细胞的肿瘤排斥反应[20]。

4 免疫微环境对肿瘤代谢的影响

肿瘤的免疫微环境为肿瘤的发生、发展提供了丰富的土壤和营养，在免疫微环境中，免疫细胞处于抑制状态，肿瘤微环境常呈酸性，除可强烈抑制NK细胞的细胞毒作用外，还可抑制IL-2对活化的淋巴因子激活的杀伤（lymphokine-activated killer，LAK）细胞的增殖作用及相应黏附分子的增长。与调节细胞毒过程有关的细胞因子的产生与分泌也会受到酸性微环境的影响；此外，在酸性环境下，效应细胞的代谢活性也会明显降低[21]。

细胞外乳酸的累积对肿瘤细胞的新陈代谢和非肿瘤细胞向肿瘤细胞转化均有重要影响。乳酸对肿瘤促进作用包括阻断单核细胞及T细胞的分化和激活。研究表明，乳酸可以通过缺氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）依赖机制促进血管内皮生长因子的分泌和M2型巨噬细胞的极化，而极化的M2型巨噬细胞分泌的精氨酸酶1可向肿瘤细胞发出信号，促进肿瘤细胞的生长。

低氧微环境可以通过改变肿瘤细胞的代谢方式、诱导肿瘤细胞代谢的适应性变化、调节肿瘤细胞中复杂的信号通路[如缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factor，HIF）、磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphoinositide 3-kinases，PI3K）、促分裂原活化的蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）]、诱发上皮-间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）过程来提高血管生成能力和基质金属蛋白酶的生成[22]。低氧环境还有利于肿瘤新生血管生成，也有助于通过上调HIF-1α的表达来进一步诱导糖酵解[23]。HIF-1α可作为调控因子和信号转导分子参与EMT过程，促进肿瘤细胞的侵袭转移，如HIF-1α可以上调snail的表达、抑制E-钙黏蛋白的活性从而促进非小细胞肺癌的EMT过程[24]。还有研究表明，HIF-1α也可以参与Twist信号通路诱导EMT过程，促进结肠癌细胞的远处转移[25]。此外，低氧对T细胞的合成和功能至关重要，在细胞和动物模型中发现，低氧可以抑制T细胞增殖，改善荷瘤小鼠的缺氧环境可以增加T细胞浸润、上调促炎细胞的因子表达、抑制肿瘤细胞的生长、提高小鼠存活率[26]。

相关研究表明，在前列腺癌的治疗中，增加肿瘤免疫微环境中的M2型巨噬细胞的浸润、抑制树突状细胞的表达、上调免疫抑制细胞因子水平等均可以提高免疫治疗的疗效[27]。此外，在前列腺癌中，随着药物治疗过程中肿瘤细胞的暴露增加，肿瘤微环境也随之发生变化，使肿瘤微环境进一步向免疫抑制环境“进化”，这在一定程度解释了目前已发表研究中前列腺癌免疫治疗客观缓解率（objective response rate，ORR）低的原因[28]。通过改变肿瘤免疫微环境来调节免疫细胞功能，从而达到抗肿瘤治疗的目的，这为抗肿瘤治疗提供了一种新思路。

了解肿瘤微环境中复杂的代谢作用不仅可以有助于研究肿瘤的发生发展机制，还可以通过调节肿瘤相关免疫细胞的功能来控制肿瘤[29]。已有研究表明，肿瘤细胞的快速增殖限制了T细胞获取葡萄糖，可以促使T细胞代谢通路的转换，使其将侵袭性实体肿瘤中存活的CD8+T细胞的葡萄糖代谢通路转变为脂质代谢[30]，但这种转变在实体肿瘤的生长过程中并不常见。肿瘤代谢与肿瘤免疫微环境的平衡决定了肿瘤的发生发展，通过改变肿瘤代谢过程中关键酶和限速酶的功能，以及免疫微环境中免疫细胞的功能状态，抑制肿瘤的发生，这也将是目前及未来研究的重要方向[31-32]。

5 小结与展望

目前关于肿瘤免疫微环境与肿瘤代谢的相互关系尚在初步研究阶段，根据理论及机制推论，若抑制糖酵解过程中的关键酶的表达，可以改变肿瘤代谢过程、抑制糖酵解，从而改变肿瘤免疫微环境中的代谢物质、酸碱度及免疫细胞的数量和种类，或可提高免疫微环境中免疫细胞活性，从而抑制免疫逃逸。目前PD-1、PD-L1抑制剂可以提高多种肿瘤的疗效，且与抗血管生成药物或化疗联合的效果更好；与糖酵解过程中关键酶抑制剂，如草氨酸盐、柠檬酸钠、3-溴丙酮等联合，也可以提高疗效，这也将成为今后的研究热点，虽然目前免疫检查点抑制剂应用广泛，但临床应用中也发现，免疫检查点抑制剂单药的疗效已经达到了限制，开始向联合治疗的方向发展，以期提高免疫治疗的疗效，尽可能降低免疫治疗出现假性进展、超进展的风险。

近年来，免疫治疗广泛应用于临床多个肿瘤的治疗，但免疫治疗单药也存在多种问题，如起效慢、假性进展、超进展、耐药及疗效受限等，因此多种肿瘤采用了联合治疗方案，如免疫治疗联合化疗、免疫治疗联合抗血管治疗、双免治疗等，目的均是通过协同作用延长患者的无进展生存期、总生存期等；同时，不良反应也是临床关注的重点，药物增多必然会增加不良反应，因此临床联合治疗时应重点关注如何联合可以提高疗效，又可以尽量控制不良反应发生情况。

肿瘤的代谢也已经进行了多年的研究，从发现肿瘤代谢与正常组织代谢的不同，到开始研究肿瘤代谢中关键酶的抑制及激活对肿瘤细胞的影响，糖酵解过程中关键酶抑制剂还未广泛应用于临床，但基础研究中已经有很多充分的证据，如抑制其糖酵解酶的表达可以促进肿瘤细胞的凋亡，影响肿瘤微环境，进一步影响部分免疫细胞，提高其免疫反应，增强其抗肿瘤效应，因此，如2-脱氧葡萄糖、二氯乙酸、氯尼达明、3-溴丙酮酸及柠檬酸钠等糖酵解酶抑制剂能应用于临床，可能为抗肿瘤治疗带来新的方向，且后期如何与PD-1、PD-L1、细胞毒T淋巴细胞相关抗原1等免疫治疗联合应用，均是今后研究的热点，目前一些基础实验逐渐开展，若可以取得阳性结果，然后逐渐应用于临床，为患者提供更好的治疗方案，是临床今后的研究方向。