从免疫代谢途径探讨骨髓来源抑制细胞影响慢性肠炎癌变的效应机制

何善泉 陈 雪 李卫东

1.中国中医科学院广安门医院肿瘤科，北京 100053；2.中国中医科学院广安门医院科研处，北京 100053

结直肠癌（colorectal cancer，CRC）是常见癌症，主要包括遗传性、散发性和结肠炎相关癌变（colitis associated carcinogenesis，CAC）[1]。溃疡性结肠炎患者发生肠癌的风险较正常人高10 倍[2-3]。发生癌变的风险与有关炎性疾病的持续时间、严重程度高度相关[4]。虽然从肠炎到肠癌转变的潜在机制难以捉摸，但是一系列由免疫和非免疫细胞分泌的促炎因子在肠道肿瘤的形成过程中发挥了重要作用[5-7]。

长期无法解决的慢性炎症会影响局部和全身免疫，从而促进免疫抑制性肿瘤微环境的形成并支持肿瘤的进展，炎症在扩展及招募骨髓源性抑制细胞（myeloid-derivedsuppressor cell，MDSC）进入肿瘤和炎症性组织中起关键作用[8]。

MDSC 是肿瘤免疫微环境中主要的抑制性免疫细胞，在肿瘤发生过程中激活、扩增、动员并迁移至肿瘤区域与淋巴组织，从而促进肿瘤血管形成并破坏主要免疫监视机制，使肿瘤细胞得以从免疫监视中逃脱，最终促进肿瘤的侵袭转移。基于MDSC 在慢性肠炎癌变中的重要地位，探明如何调控MDSC 抑制慢性肠炎癌变具有重要临床价值。

1 免疫反应参与慢性肠炎癌变的全过程

慢性结肠炎由最初的伤害或接触肠道菌群诱发，持续的炎症会引发突变启动癌变进程。CAC 常见的病理变化涉及各种类型的免疫细胞和基质细胞的募集与失调。持续的免疫细胞和细胞因子的存在可能会将环境由炎症向高度耐受的微环境转变，这会进一步影响宿主的免疫监视和保护性免疫，从而促进肿瘤进展[9-10]。

骨髓源性细胞和淋巴细胞在发炎肠道组织内的大量浸润是肠道炎性疾病的主要病理特征。树突状细胞（dendritic cells，DC）和巨噬细胞识别入侵微生物并调控促炎淋巴细胞的分化，例如T 辅助细胞1（T helper cell 1，Th1）、Th17、先天性淋巴样细胞（innate lymphoid cells，ILC）和白细胞介素-17（interleukin-17，IL-17）+γδT 细胞。淋巴细胞进一步募集骨髓细胞进入局部肠道组织。这些骨髓细胞在促进炎性肠病（inflammation bowl disease，IBD）转化为CAC 中起着重要的作用[11]。

适应性免疫系统的各种细胞与CAC 的发病机制有关。CD4+效应T 细胞产生促炎性肿瘤的发生微环境；IL-6 在肿瘤启动和进展中均起着核心作用。因此，针对性的治疗策略抗CD4+效应T 细胞或它们的细胞因子不仅可以减轻肠道炎症，还可减轻患者CRC的风险[12-13]。

2 MDSC 引起的免疫抑制是影响慢性肠炎癌变的关键机制

MDSC 是免疫性抑制微环境核心成分。MDSC 的聚集被认为是关联炎症与癌症的重要因素[14-16]。MDSC可以有效抑制抗肿瘤免疫，主要是通过抑制T 细胞介导的反应[17]、阻止自然杀伤细胞（natural killer cell，NK）激活[18]、限制DC 成熟、诱导调节性T 细胞（regulatory-T-cells，Treg）生成[19]等来实现。

肠道表皮细胞衍生和激活的免疫细胞因子和肠道菌群来源因子导致肠道中MDSC 的募集和激活[20-21]。激活的MDSC 会抑制DC 的抗原吸收和递呈及随后的CD4+T 细胞的增殖和活化，导致细菌渗透的部位病菌清除不充分，引起持续的炎症刺激[22-23]。

同时，MDSC 衍生活性氧（reactive oxygen species，ROS）是IEC 损坏的主要诱因。MDSC 表达高水平的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶，进而导致ROS表达增加[24]。ROS 的长期暴露促进DNA 损伤和IEC中的染色体不稳定性进而促进癌变。氧化应激增加导致p53 突变，该突变可引发肠道表皮细胞中的不典型增生[25]。DNA 的遗传和表观遗传变化在非典型晚期进一步导致癌症增生。

MDSC 聚集与癌前期状态、癌症分期、肿瘤负担和CRC 患者的生存密切相关[26-27]。其抑制特性归因于诱导型一氧化氮合酶和精氨酸酶-1，它们都参与了精氨酸的代谢。Chun 等[28]研究表明：趋化因子CCL2通过诱导型一氧化氮合酶和转录激活因子3 依赖性的ROS 产生来募集单核MDSC 和多态核-MDSC，进而抑制效应T 细胞功能，从而促进结肠炎相关癌变的发生；敲除CCL2 则阻止了结肠炎相关癌变的发展和肿瘤周围MDSC 的聚集。招募MDSC 进入炎性状态下的结肠黏膜和肿瘤需要CXC 趋化因子受体2 参与；而且由慢性炎症募集的MDSC 通过抑制CD8+T 细胞毒性，有助于结肠炎相关肿瘤的形成和进展。对于接受结肠炎相关癌变的CSF2-/-小鼠模型而言，MDSC聚集严重受损；而当补充来自带有结肠炎相关癌变的野生型小鼠MDSC 入CSF2-/-小鼠则导致结肠炎癌变的复发，这一结果提示，粒细胞巨噬细胞集落刺激因子在结肠炎相关癌变发病机制中起关键作用，并且与其对MDSC 的调控相关[29]。

3 线粒体能量代谢参与调控慢性肠炎癌变并影响MDSC 的功能

线粒体是动态细胞器，易响应环境刺激和细胞能源需求。线粒体改变与癌变的多个阶段相关，包括致癌的转化，肿瘤进展和转移。研究表明，在结肠炎小鼠模型和IBD 患者体内，IL-10 缺乏导致受损线粒体的积累和失调，NOD 样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）的失控激活[30-31]。在细菌感染期间，免疫细胞激活，细胞分化和极化依赖于代谢重编程。中性粒细胞、DC 和CD4+T 细胞发生代谢转移，从氧化磷酸化到糖酵解[32]。线粒体代谢的转变在记忆T 细胞静止中和细菌感染过程中的激活反应起核心作用。刺激B 淋巴细胞诱导糖酵解和氧化磷酸化促进IgG 或IgA 抗体生产[33]。细胞代谢的改变是其恶性转化的基础。一项研究发现，mtDNA 突变在溃疡性结肠炎癌前状态下很常见，但在癌症中为阴性，提示功能性线粒体是溃疡性结肠炎恶性转化中所必需的[34]。研究表明，在结肠炎发展为癌症的过程中低氧在介导早期线粒体中起重要作用。缺氧在炎症和癌症中同时存在，并且有类似的代谢重编程途径影响这两种机制。缺氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）是低氧状态下的关键调控因子，参与减少肠道炎症，研究提示HIF-1α 能消除结肠上皮中线粒体代谢物D-2-羟基戊二酸的合成，从而预防结肠炎相关癌症[35]。

4 AMPK/核转录因子-κB（nuclear transcription factor-κB，NF-κB）/HIF-1α 代谢途径是影响MDSC 功能的核心通路

炎症时活化的免疫细胞及肿瘤细胞在快速增殖时倾向于用需氧糖酵解取代氧化代谢来满足其高能耗对ATP 的高需求，快速利用葡萄糖并产生乳酸，即Warburg 效应，这一代谢应激过程抑制了ATP 分解代谢生成并激活AMPK。这种不同于正常细胞的代谢特征也许是慢性结肠炎相关癌变的新型早期诊断生物标志。此外，需氧糖酵解和乳酸产生HIF-1α 参与MDSC 调控。AMPK 不仅在调节组织能量代谢中起着至关重要的作用，还可以通过与免疫信号通路合作来控制免疫反应，影响免疫代谢和免疫细胞功能。

AMPK 激活可以通过抑制两种主要免疫功能信号传导途径抑制炎症反应，即NF-κB 和STAT 途径。而相同的信号通路同样控制着MDSC 的扩增和激活。在巨噬细胞中AMPK 激活促进了极化M1 促炎巨噬细胞对M2 抗炎的影响表型。此外，AMPK 激活可调节抗炎细胞因子的信号传导，例如参与IL-10 抑制脂多糖诱导的促炎性细胞因子生成[36]。AMPKα1 缺陷的巨噬细胞和树突状表现出高度炎症的功能和抗原提呈有利于促进Th1 和Th17 细胞反应能力的增强。巨噬细胞和从AMPKα1 缺陷小鼠产生的DC 会有更高水平促炎性细胞因子的生产，而抗炎细胞因子IL-10减少[37]。由于AMPK 在这些代谢过程中的重要调节作用，AMPK 激活药物可能作为抗炎剂[38]。肠癌发生发展与炎症和代谢密切关联，这提示AMPK 的活化可能对于肠癌的防治非常有用。AMPK 激活剂可抑制MDSC功能并在许多癌症中显示抗肿瘤活性。活化的AMPK通过5-氨基咪唑-4-甲酰胺-核糖核苷或苯乙双胍导致肠癌细胞凋亡[39]。

AMPK 信号还可与其他几种信号通路合作控制能量代谢和免疫过程。AMPK 信号传导能够通过抑制主要免疫信号通路如NF-κB、C/EBPβ、CHOP 和HIF-1α 途径刺激免疫抑制MDSC 功能。Noman 等[40]研究发现HIF-1α 可以使PD-L1 表达增加，阻断缺氧下的PD-L1 途径可增强MDSC 介导的T 细胞活化，并伴有MDSC 中IL-6 和IL-10 的降低。低氧/HIF-1α 信号可通过增强MDXC 中免疫抑制因子的表达来诱导免疫抑制。

基于以上分析我们不难看出，以AMPK 为核心的代谢途径不仅参与NF-κB、HIF-1α 调控，还影响其对MDSC 相关免疫抑制细胞的调控。因此，系统探明以AMPK/NF-κB/HIF-1α 代谢相关信号途径如何调控影响MDSC 免疫抑制微环境进而影响肠炎癌变具有重要意义。

5 小结

从IBD 最初的接触免疫到CAC 涉及的免疫与基质细胞的募集形成免疫抑制性肿瘤微环境，免疫反应参与了慢性肠炎癌变的全过程。而MDSC 在IBD 浸润后通过抑制T 细胞介导的免疫反应、阻止自然杀伤细胞激活、限制DC 成熟、调节性T 细胞生成等方式形成免疫抑制，使得肿瘤细胞逃避免疫监视，促进CAC 形成。炎性环境下，缺氧状态及异常的线粒体代谢激活AMPK 能量代谢相关通路，并通过NF-κB等途径参与免疫调控，同时炎性代谢产生的低氧微环境刺激HIF 表达，共同影响调控CAC 中MDSC 形成免疫抑制微环境。

通过以上分析，不难看出MDSC 的调控主要与炎性微环境募集有关，同时，炎性微环境中存在能量代谢异常，而激活AMPK 能量代谢相关通路，可以显著抑制MDSC 的功能[41]，这也提示MDSC 与能量代谢关联，这些对于慢性肠炎癌变来说都是关键效应机制，而靶向MDSC 调控可以显著减缓慢性肠炎癌变进程。

考虑到MDSC 对癌细胞的作用，靶向粒细胞巨噬细胞集落刺激因子或使用合适的抑制剂阻断MDSC生成和/或招募可能是新的临床CAC 治疗方案。