肿瘤微环境与其对肿瘤治疗的影响

肿瘤微环境与其对肿瘤治疗的影响

作者：蔡向濛

来源：《中国科技纵横》2017年第07期

摘 要：肿瘤微环境是肿瘤治疗研究中的重要因素。其与肿瘤本身构成完整的生态系统，在影响免疫的同时促进肿瘤的生长与转移。肿瘤微环境特殊的生物特征和多种生物因子为肿瘤的治疗带来了挑战和机遇，现已成为肿瘤治疗的研究热点。本文就肿瘤的微环境与肿瘤的相互作用，微环境对肿瘤疗法的影响展开讨论，并讨论消除肿瘤屏障，改善肿瘤微环境促进治疗效果的潜在方法。

关键词：肿瘤微环境；免疫疗法；免疫抑制；肿瘤屏障；抗癌治疗；检查点阻断；嵌合抗原受体T细胞

中图分类号：R730.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0175-03

目前，对肿瘤的生物特征、治疗方法的重心已由肿瘤本身变为肿瘤和肿瘤细胞生活的内环境，即肿瘤微环境（tumormicroenvironment， TME）。作为肿瘤细胞和相邻组织之间的部位，肿瘤微环境具有多种特殊的理化环境：如低氧、低pH、高间质液压（interstitial fluid

pressure， IFP）、血管高渗透等，这些特征对肿瘤保持自身存活、增殖并转移有着重要影响，也是讨论“微环境—肿瘤细胞相互作用”的重点。完整肿瘤微环境的组成包括细胞外基质（extracellular matrix，ECM）、可溶性分子，和细胞基质细胞（stormal cells）[1]。其中研究最为集中、作用最为显著的是巨噬细胞、树突状细胞（dendriticcell，DC cells）、T 细胞等多种免疫细胞及IL-10、促血管生成因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）等细胞因子。这些因子影响了嵌合抗原受体T细胞（chimeric antigen receptor T cell， CAR-T）疗法等免疫疗法的效果，但同时其作为肿瘤细胞与周围环境交流的靶点，也为将来的治疗方法提供了新思路。

1 肿瘤微环境

随着近年研究的深入，微环境影响肿瘤的免疫机制也逐渐明晰，大致可以分为调节肿瘤理化特征、构造适宜肿瘤生存的环境，及促进肿瘤扩散转移。为了实现这些目标，微环境利用了多种调控因子与内在免疫系统的作用。这种肿瘤细胞与环境的信号交流（cross-talk）在微环境中起到了重要作用，有研究者将ECM、微血管和免疫系统的关系描述为复合进化（co-evolution），以强调其相互作用[2]。 2 肿瘤微环境（TME）的理化特征

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（1）肿瘤血管（tumor vasculature）。肿瘤组织的血管因其特殊的性质，影响了多种微环境特征的形成，被认为是肿瘤的关键性质之一。TME中的血管与正常组织的血管相比生长空间有限，但又因为肿瘤快速的增长需要氧气与营养物质的输送，产生了大量的血管。根据Rakesh Jain描绘的肿瘤结构，肿瘤内部的血管解剖结构发生变动，总体排列杂乱，大量血管受到挤压，产生了间质高压（IFP）的现象。同时，随着肿瘤的体积膨胀，部分组织离开了血管组织，加重了缺氧的现象。（2）酸性环境。微环境的缺氧特点导致肿瘤细胞的葡萄糖分解只能进行无氧代谢途径，该途径产生的乳酸降低了组织的pH。新近研究也指出肿瘤细胞使用细胞膜上的V-ATPase离子交换体将H+泵出胞体外部，从而避免酸中毒。（3）免疫细胞和生物因子。癌细胞中存在的丰富的免疫细胞的生物因子直接或间接地影响了TME的特性。当肿瘤生长到1mm3时，会产生血管活性因子（VEGR）促进血管的生成。也有研究指出肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）可以参与相关细胞因子的生成。另外多种免疫细胞：包括调节性T细胞（Tregs），髓源性抑制细胞（MDSC）都可分泌IL-10， IL-35， TGF-β1及FGL2 抑制T淋巴细胞、NK细胞和树突状细胞（DCs）的免疫作用。临床研究中TAM与肿瘤微环境的关系也有了较为集中的进展。随着对于炎症的深入了解，慢性炎症，或“阴性炎症”对癌症的诱导作用逐渐明显，科学界发现炎症增强了肿瘤的遗传不稳定性。对于其具体机理，有猜测与病灶处聚集的TAM等免疫细胞有关。免疫细胞能在特别条件下通过活性氧和活性氮类化合物产生高度活性的化合物，导致组织上皮细胞的突变。（4）肿瘤的适应性。肿瘤不仅可以利用趋化因子使免疫细胞（K细胞、髓源抑制性细胞、巨噬细胞等）和成纤维细胞（fibroblasts）等非免疫细胞创造适宜的微环境，也能利用细胞因子适应逆境。肿瘤细胞利用缺氧诱导因子（hypoxia-induciblefactor-1αHIF-1α）来适应TME缺氧已被实验证明。HIF-1α可以稳定VEGF的mRNA，增加其转录。实验还指出肿瘤缺氧导致HIF-1α高表达，得以在缺氧条件下存活的同时继续无氧分解葡萄糖，降低pH。而酸性环境有利于囊泡对VEGF的摄取，促进血管生成，从而加强上述过程。这一由各个理化特征相关联而形成的正反馈链，再次证明了肿瘤与其微环境的整体性[3]。TME中的细胞和细胞因子图1所示。 3 肿瘤微环境对治疗的影响

传统的肿瘤治疗手段，无论是化疗，放疗，手术，或是肿瘤基因靶向疗法，都难以在持久性和抗复发性上有太大的建树，其治疗效率也会从不同程度上受到TME的干扰[4]。 3.1 TME理化特征影响抗癌治疗效果

肿瘤屏障。对于实体瘤的治疗，肿瘤屏障是阻碍有效治疗的一大因素，前文所述的TME特征都参与了肿瘤屏障的构成。由于肿瘤血管的特殊性，试图静脉输送药物控制肿瘤的治疗手段成效往往不高。间质高压（IFP）使得血液负载分子难以通过压力差扩散进肿瘤细胞中，往往被致密的ECM阻拦或是被组织渗出液冲洗掉。 3.2 TME对免疫疗法的影响

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免疫疗法是对于传统抗癌手段的突破，也是当下癌症治疗的新星。但是虽然与传统疗法相比免疫疗法在特异性、持久性上都有较好的表现，但其治疗效果仍然深受TME理化以及细胞因子环境的影响（根据新近研究仍认为以抑制作用为主）。当下的免疫疗法大致可以分为两类：抗体疗法和细胞疗法，以下将从这两个方面展开讨论[5]。

（1）抗体疗法。抗体疗法（或称干预疗法）在目前主要着眼于检查点阻断剂（Check Point Inhibitors），主要选择的靶点是CTLA-4或PD-1/PD-L1。在人体正常的免疫活动中，激活T细胞还需要T细胞膜表面的CD28与抗原提呈细胞（大多数是DC cells）表面的B7分子相结合产生的共刺激信号。鉴于TME中的Treg大量表达与CD28同源性强的CTLA-4，TME能抑制T-cells的共刺激信号，从而逃避自身免疫。所以该免疫疗法使用anti-CTLA-4 antibody耗尽TME中的CT LA antigen，让T-cells得以激活，针对该靶点的药ipilimumab已被FDA批准。针对另一个靶点，当上皮细胞、肿瘤细胞等细胞接触到Th 1免疫反应产生的IFN-γ时，它们就可以上调表达PD-1的配体PD-L1。药物只需阻断PD-1/PD-L1免疫检查点即可。但近来研究表明，对于一些低表达或不表达PD-1/PD-L1的肿瘤，该疗法的效果有限。

（2）细胞疗法。细胞疗法，包括过继免疫，是将人体自身的免疫细胞取出在体外培养后回输入人体发挥免疫作用。做过的尝试有将浸润淋巴细胞（TIL）分离出来，加入淋巴因子IL-2激活淋巴细胞对肿瘤的杀伤性，即LAK疗法；同理，该类型的还有CIK，CIK-DC疗法；该疗法在黑色素瘤中客观反应率高达50%-70%。但由于难以分离新鲜肿瘤组织，难以广泛使用。且免疫检查点，Treg等TME的抑制因素也影响了治疗效果。现在研究的热点主要是嵌合抗原受体T细胞（Chimeric antigen receptor T cell， CAR-T）。由CAR（ScFv单链抗体与ITAM融合）修饰的T cells能跳过MHC，利用CAR与TCR的信号分子使T cells特异性活化，完成增殖和杀伤。虽然CAR-T特异性好，但是目前在实体瘤方面难有进展。鉴于CAR-T目前在实体瘤和血液肿瘤中治疗效果的差异大，有理由相信实体瘤的肿瘤屏障影响了CAR-T的疗效。与血液肿瘤相比，实体瘤缺乏特异性靶点，肿瘤的免疫逃逸较难解决。并且，实体瘤肿瘤体积大，具有典型的TME理化特点，导致T cells难以趋化，也难以渗透致密的ECM进入肿瘤发挥效用。

4 针对微环境改善治疗手段

TME为肿瘤治疗带来诸多困难的同时也为将来药物、治疗方法的设计提供了良好的靶点和思路。其中常常被提及的就是联合治疗，即不再强调免疫疗法一枝独秀的地位，而是将其与传统的治疗手段结合起来，让化疗、放疗，和手术破解肿瘤屏障，实现免疫疗法的高效。早在1966年Stanley E. Order就提出先对实质性肿瘤进行小剂量辐射，让肿瘤屏障的效果减弱；再使用单克隆抗体进行免疫治疗。事实上科学界也有大量实验把目光转向了上文提到的VEGR，即血管活性因子。虽然试验中anti-VEGF antibody存活率提升效果不及预期，但将其作为潜在的辅助免疫疗法的手段，即先用anti-VEGFantibody技术诱使血管正常化（vasculature normalization）再进行免疫治疗不失为一种有潜力的方法[6]。

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5 结语

对细胞微环境的理解标志着人类对于肿瘤的实质的认识又上了一个新台阶。与传统的观点不同，我们不能将肿瘤与它周围的“生态系统”分隔开，而是要意识到肿瘤及其基质，和多种瘤内细胞，细胞因子是一个整体。而肿瘤也不能简单地看做由于基因异常所致的组织增生物，而是要理解肿瘤如何利用微环境的特性躲避自身免疫，增殖并转移。理解这些特征，其根本目的还是要补充、改良现有的治疗手段：

（1）肿瘤干细胞（cancer stem cell，CSC）随着人们对TME了解的深入吸引了越来越多的注意。CSCs与成纤维细胞，转移生长因子（TGF）和TCM等TME中肿瘤转移相关细胞、因子的关联还需要更深入的探究。深入了解肿瘤干细胞对于控制肿瘤转移、复发，提高患者长期存活率有重要意义。（2）TME的特征为治疗造成了阻碍，但也是双刃剑。TME鲜明的特征为诊断提供了很大的机遇，如Hiratsuka et al. 发现肺部肿瘤在转移前会上调表达基因金属蛋白酶-9（MMP-9）。已有研究以此为靶点设计纳米材料，试图实现肿瘤的精确定位。对于治疗而言，无论是通过TME直接锚定肿瘤细胞，还是通过作用于TME间接抑制肿瘤细胞，微环境都提供了相当多的可能。纳米材料在利用TME特点方面，研究人员设计了纳米粒子作为载体，将药物加载与内部或是修饰在表面，已报告有增强靶向性，延长半衰期等特点。 参考文献

[1]F. Klemm， J.A. Joyce， Microenvironmental regulation of therapeutic response in cancer， Trends Cell Biol，2015（4）：198-213.

[2]C. Devaud， et al.， Immune modulation of the tumor microenvironment for enhancing cancer immunotherapy， Oncoimmunology，2013（8）：259-261.

[3]Junittila MR， de Sauvage FJ. Influence of tomour micro-environment heterogeneity on therapeutic response[J].Nature，2013，（7467）：346-354.

[4]Zhang Baihong， Yue Hongyun， The mechanism of immune microenvironment in cancer development， Modern Oncology，2015（06）：862-864.

[5]Hanahan， D. and Weinberg， R.A. Hallmarks of cancer： the next generation. Cell，2011（144）：646-674.

[6]Thomlinson R， Gray L.The histological structure of some human lung cancers and the posible implications for radiotherapy[J].Br J Cancer，1955（94）：539-549.