腫瘤微環境與其對腫瘤治療的影響

蔡向濛

摘 要：腫瘤微環境是腫瘤治療研究中的重要因素。其與腫瘤本身構成完整的生態系統，在影響免疫的同時促進腫瘤的生長與轉移。腫瘤微環境特殊的生物特征和多種生物因子為腫瘤的治療帶來了挑戰和機遇，現已成為腫瘤治療的研究熱點。本文就腫瘤的微環境與腫瘤的相互作用，微環境對腫瘤療法的影響展開討論，并討論消除腫瘤屏障，改善腫瘤微環境促進治療效果的潛在方法。

關鍵詞：腫瘤微環境；免疫療法；免疫抑制；腫瘤屏障；抗癌治療；檢查點阻斷；嵌合抗原受體T細胞

中圖分類號：R730.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0175-03

目前，對腫瘤的生物特征、治療方法的重心已由腫瘤本身變為腫瘤和腫瘤細胞生活的內環境，即腫瘤微環境（tumormicroenvironment， TME）。作為腫瘤細胞和相鄰組織之間的部位，腫瘤微環境具有多種特殊的理化環境：如低氧、低pH、高間質液壓（interstitial fluid pressure， IFP）、血管高滲透等，這些特征對腫瘤保持自身存活、增殖并轉移有著重要影響，也是討論“微環境—腫瘤細胞相互作用”的重點。完整腫瘤微環境的組成包括細胞外基質（extracellular matrix，ECM）、可溶性分子，和細胞基質細胞（stormal cells）[1]。其中研究最為集中、作用最為顯著的是巨噬細胞、樹突狀細胞（dendriticcell，DC cells）、T 細胞等多種免疫細胞及IL-10、促血管生成因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）等細胞因子。這些因子影響了嵌合抗原受體T細胞（chimeric antigen receptor T cell， CAR-T）療法等免疫療法的效果，但同時其作為腫瘤細胞與周圍環境交流的靶點，也為將來的治療方法提供了新思路。

1 腫瘤微環境

隨著近年研究的深入，微環境影響腫瘤的免疫機制也逐漸明晰，大致可以分為調節腫瘤理化特征、構造適宜腫瘤生存的環境，及促進腫瘤擴散轉移。為了實現這些目標，微環境利用了多種調控因子與內在免疫系統的作用。這種腫瘤細胞與環境的信號交流（cross-talk）在微環境中起到了重要作用，有研究者將ECM、微血管和免疫系統的關系描述為復合進化（co-evolution），以強調其相互作用[2]。

2 腫瘤微環境（TME）的理化特征

（1）腫瘤血管（tumor vasculature）。腫瘤組織的血管因其特殊的性質，影響了多種微環境特征的形成，被認為是腫瘤的關鍵性質之一。TME中的血管與正常組織的血管相比生長空間有限，但又因為腫瘤快速的增長需要氧氣與營養物質的輸送，產生了大量的血管。根據Rakesh Jain描繪的腫瘤結構，腫瘤內部的血管解剖結構發生變動，總體排列雜亂，大量血管受到擠壓，產生了間質高壓（IFP）的現象。同時，隨著腫瘤的體積膨脹，部分組織離開了血管組織，加重了缺氧的現象。（2）酸性環境。微環境的缺氧特點導致腫瘤細胞的葡萄糖分解只能進行無氧代謝途徑，該途徑產生的乳酸降低了組織的pH。新近研究也指出腫瘤細胞使用細胞膜上的V-ATPase離子交換體將H+泵出胞體外部，從而避免酸中毒。（3）免疫細胞和生物因子。癌細胞中存在的豐富的免疫細胞的生物因子直接或間接地影響了TME的特性。當腫瘤生長到1mm3時，會產生血管活性因子（VEGR）促進血管的生成。也有研究指出腫瘤相關巨噬細胞（TAMs）可以參與相關細胞因子的生成。另外多種免疫細胞：包括調節性T細胞（Tregs），髓源性抑制細胞（MDSC）都可分泌IL-10， IL-35， TGF-β1及FGL2 抑制T淋巴細胞、NK細胞和樹突狀細胞（DCs）的免疫作用。臨床研究中TAM與腫瘤微環境的關系也有了較為集中的進展。隨著對于炎癥的深入了解，慢性炎癥，或“陰性炎癥”對癌癥的誘導作用逐漸明顯，科學界發現炎癥增強了腫瘤的遺傳不穩定性。對于其具體機理，有猜測與病灶處聚集的TAM等免疫細胞有關。免疫細胞能在特別條件下通過活性氧和活性氮類化合物產生高度活性的化合物，導致組織上皮細胞的突變。（4）腫瘤的適應性。腫瘤不僅可以利用趨化因子使免疫細胞（K細胞、髓源抑制性細胞、巨噬細胞等）和成纖維細胞（fibroblasts）等非免疫細胞創造適宜的微環境，也能利用細胞因子適應逆境。腫瘤細胞利用缺氧誘導因子（hypoxia-induciblefactor-1αHIF-1α）來適應TME缺氧已被實驗證明。HIF-1α可以穩定VEGF的mRNA，增加其轉錄。實驗還指出腫瘤缺氧導致HIF-1α高表達，得以在缺氧條件下存活的同時繼續無氧分解葡萄糖，降低pH。而酸性環境有利于囊泡對VEGF的攝取，促進血管生成，從而加強上述過程。這一由各個理化特征相關聯而形成的正反饋鏈，再次證明了腫瘤與其微環境的整體性[3]。TME中的細胞和細胞因子圖1所示。

3 腫瘤微環境對治療的影響

傳統的腫瘤治療手段，無論是化療，放療，手術，或是腫瘤基因靶向療法，都難以在持久性和抗復發性上有太大的建樹，其治療效率也會從不同程度上受到TME的干擾[4]。

3.1 TME理化特征影響抗癌治療效果

腫瘤屏障。對于實體瘤的治療，腫瘤屏障是阻礙有效治療的一大因素，前文所述的TME特征都參與了腫瘤屏障的構成。由于腫瘤血管的特殊性，試圖靜脈輸送藥物控制腫瘤的治療手段成效往往不高。間質高壓（IFP）使得血液負載分子難以通過壓力差擴散進腫瘤細胞中，往往被致密的ECM阻攔或是被組織滲出液沖洗掉。

3.2 TME對免疫療法的影響

免疫療法是對于傳統抗癌手段的突破，也是當下癌癥治療的新星。但是雖然與傳統療法相比免疫療法在特異性、持久性上都有較好的表現，但其治療效果仍然深受TME理化以及細胞因子環境的影響（根據新近研究仍認為以抑制作用為主）。當下的免疫療法大致可以分為兩類：抗體療法和細胞療法，以下將從這兩個方面展開討論[5]。

（1）抗體療法。抗體療法（或稱干預療法）在目前主要著眼于檢查點阻斷劑（Check Point Inhibitors），主要選擇的靶點是CTLA-4或PD-1/PD-L1。在人體正常的免疫活動中，激活T細胞還需要T細胞膜表面的CD28與抗原提呈細胞（大多數是DC cells）表面的B7分子相結合產生的共刺激信號。鑒于TME中的Treg大量表達與CD28同源性強的CTLA-4，TME能抑制T-cells的共刺激信號，從而逃避自身免疫。所以該免疫療法使用anti-CTLA-4 antibody耗盡TME中的CT LA antigen，讓T-cells得以激活，針對該靶點的藥ipilimumab已被FDA批準。針對另一個靶點，當上皮細胞、腫瘤細胞等細胞接觸到Th 1免疫反應產生的IFN-γ時，它們就可以上調表達PD-1的配體PD-L1。藥物只需阻斷PD-1/PD-L1免疫檢查點即可。但近來研究表明，對于一些低表達或不表達PD-1/PD-L1的腫瘤，該療法的效果有限。

（2）細胞療法。細胞療法，包括過繼免疫，是將人體自身的免疫細胞取出在體外培養后回輸入人體發揮免疫作用。做過的嘗試有將浸潤淋巴細胞（TIL）分離出來，加入淋巴因子IL-2激活淋巴細胞對腫瘤的殺傷性，即LAK療法；同理，該類型的還有CIK，CIK-DC療法；該療法在黑色素瘤中客觀反應率高達50%-70%。但由于難以分離新鮮腫瘤組織，難以廣泛使用。且免疫檢查點，Treg等TME的抑制因素也影響了治療效果?，F在研究的熱點主要是嵌合抗原受體T細胞（Chimeric antigen receptor T cell， CAR-T）。由CAR（ScFv單鏈抗體與ITAM融合）修飾的T cells能跳過MHC，利用CAR與TCR的信號分子使T cells特異性活化，完成增殖和殺傷。雖然CAR-T特異性好，但是目前在實體瘤方面難有進展。鑒于CAR-T目前在實體瘤和血液腫瘤中治療效果的差異大，有理由相信實體瘤的腫瘤屏障影響了CAR-T的療效。與血液腫瘤相比，實體瘤缺乏特異性靶點，腫瘤的免疫逃逸較難解決。并且，實體瘤腫瘤體積大，具有典型的TME理化特點，導致T cells難以趨化，也難以滲透致密的ECM進入腫瘤發揮效用。

4 針對微環境改善治療手段

TME為腫瘤治療帶來諸多困難的同時也為將來藥物、治療方法的設計提供了良好的靶點和思路。其中常常被提及的就是聯合治療，即不再強調免疫療法一枝獨秀的地位，而是將其與傳統的治療手段結合起來，讓化療、放療，和手術破解腫瘤屏障，實現免疫療法的高效。早在1966年Stanley E. Order就提出先對實質性腫瘤進行小劑量輻射，讓腫瘤屏障的效果減弱；再使用單克隆抗體進行免疫治療。事實上科學界也有大量實驗把目光轉向了上文提到的VEGR，即血管活性因子。雖然試驗中anti-VEGF antibody存活率提升效果不及預期，但將其作為潛在的輔助免疫療法的手段，即先用anti-VEGFantibody技術誘使血管正?；╲asculature normalization）再進行免疫治療不失為一種有潛力的方法[6]。

5 結語

對細胞微環境的理解標志著人類對于腫瘤的實質的認識又上了一個新臺階。與傳統的觀點不同，我們不能將腫瘤與它周圍的“生態系統”分隔開，而是要意識到腫瘤及其基質，和多種瘤內細胞，細胞因子是一個整體。而腫瘤也不能簡單地看做由于基因異常所致的組織增生物，而是要理解腫瘤如何利用微環境的特性躲避自身免疫，增殖并轉移。理解這些特征，其根本目的還是要補充、改良現有的治療手段：

（1）腫瘤干細胞（cancer stem cell，CSC）隨著人們對TME了解的深入吸引了越來越多的注意。CSCs與成纖維細胞，轉移生長因子（TGF）和TCM等TME中腫瘤轉移相關細胞、因子的關聯還需要更深入的探究。深入了解腫瘤干細胞對于控制腫瘤轉移、復發，提高患者長期存活率有重要意義。（2）TME的特征為治療造成了阻礙，但也是雙刃劍。TME鮮明的特征為診斷提供了很大的機遇，如Hiratsuka et al. 發現肺部腫瘤在轉移前會上調表達基因金屬蛋白酶-9（MMP-9）。已有研究以此為靶點設計納米材料，試圖實現腫瘤的精確定位。對于治療而言，無論是通過TME直接錨定腫瘤細胞，還是通過作用于TME間接抑制腫瘤細胞，微環境都提供了相當多的可能。納米材料在利用TME特點方面，研究人員設計了納米粒子作為載體，將藥物加載與內部或是修飾在表面，已報告有增強靶向性，延長半衰期等特點。

參考文獻

[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.