腫瘤微環境的理論及治療進展

鄒子驊綜述，李峻嶺審校

國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫學研究中心/中國醫學科學院北京協和醫學院腫瘤醫院腫瘤內科，北京 100021

腫瘤微環境（tumor microenvironment，TME）最早由Ioannides和Whiteside[1]提出，其定義為腫瘤發生、發展過程中所處的局部生物環境，可為腫瘤細胞的生長提供支架和屏障，產生免疫豁免區域，從而為腫瘤的發生、發展提供“溫床”。隨著對TME研究的深入，腫瘤學界越來越重視TME在腫瘤發生、發展過程中的作用。歸納起來，TME主要有以下三方面重要作用[2]：①為腫瘤提供生長環境；②可削弱抗腫瘤藥物的作用；③局部免疫應答呈免疫抑制狀態，輔助腫瘤細胞逃避免疫監視。鑒于TME的重要地位，TME在未來的科學研究領域和腫瘤治療領域中具有巨大價值。本文介紹TME的組成成分，并對TME的各組分在腫瘤發生、發展過程中的作用及TME相關的治療進展進行概述。

1 TME 的構成及各組分的作用

TME由細胞成分、物理組分和生化組分構成。細胞成分又稱為基質細胞，主要包括內皮細胞、成纖維細胞和免疫細胞。物理組分指細胞外基質（extracellular matrix，ECM）。生化組分主要包括細胞因子、黏附分子、生長因子、氧氣和pH[3]。

1.1 氧氣、pH 和內皮細胞

在腫瘤早期增殖階段，由于腫瘤生長部位的局部供血速度短于腫瘤細胞增殖的速度，腫瘤處于乏氧的環境。乏氧環境可誘導腫瘤細胞釋放缺氧誘導因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）[4]。HIF-1可促使腫瘤細胞釋放血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）等血管生成因子從而啟動腫瘤血管形成的過程。腫瘤血管形成與生理狀態下的血管形成并不相同。生理狀態下，血管旁支持細胞如周細胞、血管平滑肌細胞分泌的血管生成素-1（angiopoietin-1，Ang-1）可與內皮細胞特異性酪氨酸激酶受體-2（tyrosine kinase with immunoglobulin-like and epidermal growth factor homology domain，Tie-2）結合，從而調節內皮細胞之間、內皮細胞與血管外膜細胞之間的相互作用，促進血管成熟，并維持血管正常的有序結構。但腫瘤細胞分泌血管生成素-2（angiopoietin-2，Ang-2），它可與Ang-1競爭性結合Tie-2，而Ang-2與Tie-2的結合并不能引起后續信號通路的正常激活[5-6]，因此，腫瘤新生血管具有結構排列紊亂、血管壁不完整、血管壁不連續的特點[7]，從而進一步加重局部乏氧狀態，并嚴重影響抗腫瘤藥物的投遞。在乏氧狀態下，腫瘤細胞的主要代謝形式為糖酵解，糖酵解產生的乳酸等酸性物質可通過氫離子的形式被腫瘤細胞的質子泵排出細胞內，可進一步加重TME的局部酸化狀態，而這種酸性條件并不利于免疫殺傷細胞的存活[8]。由此，免疫殺傷細胞在乏氧、酸化的環境下無法充分發揮其活性。此外，HIF-1還可啟動P糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）耐藥基因的轉錄，促使腫瘤細胞外排抗腫瘤藥物而降低細胞內的藥物濃度。

1.2 成纖維細胞和ECM

TME中的成纖維細胞又稱腫瘤相關成纖維細胞（cancer associated fibroblast，CAF）。一方面，CAF可分泌膠原、纖連蛋白、彈性蛋白，構成ECM，為腫瘤細胞的生長提供支架和屏障（屏障可理解為ECM形成的高間質壓力影響抗腫瘤藥物的投遞以及免疫殺傷細胞的聚集，削弱藥物和免疫系統對腫瘤細胞的攻擊）[9]；另一方面，CAF分泌生長因子或細胞因子[10]，如肝細胞生長因子（hepatocyte growth factor，HGF）、VEGF、血小板源性生長因子（platelet-derived growth factor，PDGF）、轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β），從而促進腫瘤細胞的生長，加重局部免疫抑制狀態或降低腫瘤細胞對藥物的敏感性。CAF在腫瘤耐藥中發揮著重要的作用，如CAF產生的HGF可激活絲裂原激活蛋白激酶（mitogen-activation protein kinase，MAPK）/胞外信號調節激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）信號通路，而這種旁路的激活可導致腫瘤細胞對鼠類肉瘤濾過性毒菌致癌同源體 B1（v-raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1，BRAF）抑制劑或表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）抑制劑的敏感性降低[11]；如化療或放療引起的CAF相關的DNA損傷，可促使CAF進入衰老的狀態，在此種衰老的狀態下，CAF可分泌大量的生長因子和細胞因子從而誘導腫瘤細胞啟動抗腫瘤細胞凋亡通路及DNA修復，從而增強腫瘤對放化療的抵抗[12]。

1.3 免疫抑制細胞和其他免疫抑制機制

TME中存在大量的免疫細胞，這些免疫細胞可進一步劃分為與腫瘤殺傷相關的免疫殺傷細胞和與腫瘤逃避免疫監視相關的免疫抑制細胞。免疫抑制細胞主要包括腫瘤相關巨噬細胞（tumor-associated macrophage，TAM）、髓源性抑制細胞（myeloid-derived suppressor cell，MDSC）和調節性T細胞（regulatory T cell，Treg）。TAM可分為經典活化的M1型和選擇性活化的M2型巨噬細胞兩種極化類型，其中，M1型巨噬細胞可促進腫瘤抗原的呈遞，而M2型巨噬細胞通過分泌白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、TGF-β等免疫炎癥介質從而抑制免疫殺傷細胞的活性[13-14]。MDSC包括不成熟的樹突細胞、不成熟的粒細胞和不成熟的巨噬細胞，它們通過分泌精氨酸酶-1從而降解精氨酸為鳥氨酸和尿素，而精氨酸是T細胞完成細胞周期所必須的化學物質，因此，MDSC可通過阻止細胞周期的完成從而抑制T細胞的活性[15-16]。Treg同樣也在腫瘤逃避免疫監視的過程中發揮重要作用，一方面其可通過分泌 TGF-β、白細胞介素-10（interleukin-10，IL-10）從而抑制免疫殺傷細胞的活性，另一方面其可下調樹突細胞共刺激分子的表達從而減少效應T細胞的激活[17-18]。TME中除了免疫抑制細胞參與局部免疫抑制狀態的形成外，其他信號分子或蛋白亦可參與腫瘤逃避免疫監視的過程。程序性死亡受體 1（programmed cell death 1，PDCD1，也稱PD-1）/程序性死亡受體配體 1（programmed cell death 1 ligand 1，PDCD1LG1，也稱 PD-L1）信號通路在正常情況下是機體維持外周免疫耐受的重要機制，但在腫瘤內部，免疫炎癥介質可誘導腫瘤細胞上調PD-L1的表達從而幫助腫瘤逃避免疫殺傷細胞的攻擊[19-20]。此外，腫瘤細胞在遭受免疫系統攻擊時可釋放吲哚胺2，3-雙加氧酶（indoleamine 2,3-dioxygenase，IDO），IDO可使TME處于色氨酸“饑餓”的狀態，從而促使色氨酸依賴的T細胞合成停滯于G1期，另外，色氨酸的代謝產物犬尿酸亦可對T細胞產生毒性殺傷作用[21-22]。由此可見，IDO的釋放與局部免疫炎癥信號有關，是一種繼發的免疫負向調節機制。

1.4 外泌體

在腫瘤內部，外泌體是腫瘤細胞釋放的一種功能性雙層膜結構，可攜帶蛋白、細胞因子、生長因子、微小RNA（microRNA，miRNA）等物質，不需要其他細胞表達相應受體即可完成細胞與細胞之間的信號傳遞，因此，其在腫瘤細胞與TME的通訊中發揮重要的作用[23-25]。外泌體的生物學作用與其攜帶的信號分子密切相關。外泌體通過向腫瘤周圍的正常細胞傳遞增殖信號從而誘導其發生惡性轉化。外泌體亦可降低腫瘤細胞間連接分子的表達，使腫瘤細胞的黏附能力減弱和侵襲能力增強[23-25]。同時，外泌體亦可通過攜帶生長因子或免疫炎癥介質從而參與腫瘤新生血管生成、重塑ECM、抑制免疫殺傷細胞活性等多個腫瘤生物學過程[23-25]。此外，腫瘤也可通過外泌體將抗腫瘤藥物排出細胞外。但由于外泌體在正常細胞之間也扮演著“通訊信使”的角色，因此，目前針對腫瘤相關外泌體的治療仍存在難度[23-25]。

2 針對TME的治療

2.1 針對乏氧、酸化狀態及腫瘤血管正常化的治療

腫瘤局部乏氧狀態促進腫瘤新生血管的生成，而雜亂無序的新生血管結構進一步加重了腫瘤局部的乏氧狀態，造成惡性循環，而乏氧、酸性的環境不利于抗腫瘤藥物和免疫殺傷細胞發揮作用。而抗腫瘤血管生成藥物可輔助修剪、正常化腫瘤血管，改善腫瘤血流灌注和局部乏氧的情況，從而促進抗腫瘤藥物的投遞和免疫殺傷細胞的活性。目前，臨床上的抗血管生成藥物主要包括VEGF/血管內皮生長因子受體（vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR）的單克隆抗體（如貝伐珠單抗、雷莫蘆單抗）、VEGFR的酪氨酸激酶抑制劑（如呋喹替尼、阿帕替尼）和多靶點酪氨酸激酶抑制劑（如瑞戈非尼、索拉非尼、帕唑帕尼）。這些抗血管生成藥物已在肺癌、消化道腫瘤、腎癌、軟組織肉瘤等多種惡性腫瘤中得到廣泛應用[26]，但目前抗血管生成藥物的臨床應用仍面臨很大挑戰，如抗血管生成藥物耐藥、抗血管生成藥物的不良反應以及抗血管生成藥物在其他腫瘤中的應用均是臨床上棘手的問題，未來還有待腫瘤學界進一步研究。除正常化腫瘤血管外，腫瘤學家正嘗試采用更直接的方法改善TME乏氧、酸化的狀態，如二甲雙胍可通過降少腫瘤細胞的耗氧，改善腫瘤細胞供氧與耗氧的平衡，從而達到減少HIF-1釋放的目的[27]；質子泵抑制劑、碳酸酐酶抑制劑可通過減少TME中氫離子的生成從而改善TME的酸化狀態[28-29]。但這些藥物目前僅在動物模型中表現出一定的效用，未來仍需臨床試驗進行驗證。

2.2 改善局部免疫抑制狀態的治療

腫瘤局部免疫抑制狀態是腫瘤逃避機體免疫監視的根本原因。因此，通過改善腫瘤局部免疫抑制狀態從而增加機體免疫系統對腫瘤的識別和殺傷是目前研究的熱點。隨著人們對腫瘤免疫抑制機制認識的不斷深入，免疫治療已成為人類治療腫瘤的重要手段。目前，免疫檢查點抑制劑（immunecheckpoint inhibitor，ICI）在腫瘤的免疫治療中應用最廣泛，隨著PD-1單抗/PD-L1單抗等的問世，腫瘤患者的生存期明顯延長。目前，ICI已獲批應用于惡性黑色素瘤、肺癌、胃癌、霍奇金淋巴瘤、腎癌、泌尿上皮惡性腫瘤等多種惡性腫瘤[19-20]。另外，針對TAM、MDSC的治療亦具有一定的臨床應用前景。巨噬細胞集落刺激因子1（macrophage colony-stimulating factor 1，CSF1）通過與 TAM 或MDSC表面的巨噬細胞集落刺激因子1受體（macrophage colony-stimulating factor 1 receptor，CSF1R）結合，可招募TAM和MDSC至腫瘤區域，因此，阻斷CSF1/CSF1R通路亦可改善腫瘤局部的免疫抑制狀態[30-31]。目前，CSF1R抑制劑Pexidartinib已經獲批應用于腱鞘巨細胞瘤（其發病機制：滑膜細胞存在CSF1染色體易位，造成CSF1持續過量表達，從而招募過多巨噬細胞導致組織增生）的治療。Pexidartinib治療其他實體腫瘤的臨床研究也正在進行中（NCT01525602，Ⅰ期）。

需要注意的是，腫瘤局部免疫抑制狀態的形成需要多種免疫抑制細胞及信號分子、蛋白的參與，因此，僅針對某一環節進行阻斷并不能充分改善腫瘤局部的免疫抑制狀態，但從目前的研究進展看，單純地將不同的治療方法相疊加并不一定能得到1+1＞2的效果。ECHO-301研究證實了這一點，此項Ⅲ期臨床研究比較了IDO抑制劑Epacadostat聯合Pembrolizumab（聯合治療組）與單藥Pembrolizumab（單藥組）治療晚期黑色素瘤的療效，結果顯示，聯合治療組較單藥組未能延長患者的無進展生存期[32]。但是，近年來，ICI聯合抗血管生成治療為腫瘤微環境的重塑提供了新的方向。多項研究發現，VEGF可從不同水平參與腫瘤免疫調節：①VEGF促進內皮細胞表達Fas與其配體Fas-L結合，激活細胞凋亡通路，從而導致CD8+T細胞凋亡；②抑制抗原呈遞細胞的成熟；③抑制效應T細胞的成熟，促進Treg細胞的分化與增殖；④促進MDSC的招募[33-36]。因此，抗血管生成治療聯合ICI在改善腫瘤局部免疫抑制狀態方面有協同作用。而這一協同作用在IMpower 150研究中得到了有利印證，化療+抗血管生成治療+ICI方案可使肝轉移的晚期非鱗狀NSCLC患者的生存期顯著延長。肝臟是免疫豁免器官，因此，肝臟轉移瘤不易誘導機體產生免疫應答，肝轉移是免疫單抗治療惡性腫瘤的不良預后因素。而在IMpower 150研究中ICI聯合抗血管生成治療在肝轉移患者的療效[37]證明從多水平改善腫瘤局部免疫抑制狀態可顯著提高機體對腫瘤的免疫應答。因此，腫瘤復雜的免疫抑制機制使免疫治療面臨嚴峻的挑戰，如何更好地通過免疫療法聯合多種抗腫瘤藥物改善腫瘤的免疫抑制狀態并抓住腫瘤免疫抑制的核心機制是未來研究的重點。

2.3 針對ECM和CAF 的治療

CAF分泌膠原、纖連蛋白、彈性蛋白等構成ECM，而ECM形成的高間質壓影響抗腫瘤藥物的投遞和免疫殺傷細胞的聚集，削弱藥物和免疫系統對腫瘤細胞的攻擊，因此，針對CAF和ECM的治療可有效破壞腫瘤的生長支架和屏障，有利于抗腫瘤藥物和免疫殺傷細胞發揮作用[9]。成纖維細胞活化蛋白（fibroblasts activation protein，FAP）是CAF表達的特異性標志物，不表達于正常組織的成纖維細胞，因此，理論上，針對FAP的靶向治療具有良好的應用前景[38]，但很遺憾針對FAP的單克隆抗體Sibrotuzumab在Ⅰ、Ⅱ期臨床研究中并未取得很好的結果。而目前針對ECM的治療，較有應用前景的藥物是聚乙二醇化的重組人透明質酸酶（PEGylated recombinant human hyaluronidase，PEGPH20）。PEGPH20可減少腫瘤周圍組織中透明質酸的含量而降低間質壓力。一項Ⅱ期臨床研究結果顯示，PEGPH20聯合白蛋白紫杉醇和吉西他濱可使晚期胰腺癌患者的無進展生存期為6個月，而透明質酸高表達患者的無進展生存期可達9.2個月[39]。胰腺癌組織以高間質壓為特點，嚴重影響抗腫瘤藥物的投遞，因此，透明質酸酶的作用迫切需要在后續的臨床研究中得到確認。當然，在關注如何降低間質壓而促進抗腫瘤藥物的投遞時，也不能忽視一個重要的問題：腫瘤細胞也有可能利用低間質壓環境完成侵襲和轉移的過程。由此，腫瘤學界也嘗試從增加組織屏障這一方面抑制腫瘤侵襲和轉移的過程。基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）在腫瘤的進展中發揮重要作用，其主要由腫瘤細胞分泌，但在腫瘤細胞的誘導下，TME中的間質細胞亦可分泌MMP，MMP可水解膠原蛋白、蛋白多糖等大部分ECM，使腫瘤的天然屏障發生改變，導致腫瘤向周圍組織浸潤和轉移[40]。因此，曾有學者研發MMP抑制劑，但很遺憾多種MMP抑制劑在針對軟組織肉瘤、乳腺癌等多種實體腫瘤中并未展現出令人滿意的效果。因此，基于CAF和ECM復雜的生物學機制，目前臨床上尚未有針對性的治療手段。

3 小結與展望

TME參與腫瘤的生長、侵襲、轉移、新血管生成、免疫逃逸、腫瘤藥物耐藥等多個重要生物學過程。但目前針對TME的研究尚處于起步階段，TME各組成成分間的關系錯綜復雜，相互協調，相互促進，未來如何從多個層面改善TME和把握TME的核心機制是未來研究的重點。同時，目前大部分針對TME的研究還處于體外細胞實驗及早期動物實驗階段，仍需更多的活體實驗或臨床試驗證明其機制理論的準確性，更關鍵的是，即使人們可以進一步闡釋TME的機制，針對TME藥物的研發同樣也很困難，因為目前尚不能建立與體內TME相似的實驗模型，因此，建立與體內TME相似程度極高的模型尤其是可以模擬TME各組分功能的模型也是未來研究的重要方向。