乳酸對腫瘤微環(huán)境中免疫細胞的影響

楊 柳，金 晶，羅 雪

(湖北恩施學(xué)院 醫(yī)學(xué)院，湖北 恩施 445000 )

腫瘤細胞內(nèi)通過有氧糖酵解生成了大量乳酸，越來越多的研究者認識到乳酸能夠參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展。在腫瘤細胞中乳酸可作為一種信號因子和基因調(diào)節(jié)因子影響腫瘤細胞增殖與免疫應(yīng)答，乳酸對腫瘤微環(huán)境(tumor microenvirment,TME)的酸化導(dǎo)致免疫系統(tǒng)抑制，從而使得先天性和適應(yīng)性免疫細胞功能異常，促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展。本文通過查閱文獻，對乳酸在TME中對免疫細胞的影響進行總結(jié)闡述。

1 概述

惡性腫瘤發(fā)病概率高、致死率強。盡管對惡性腫瘤的治療進行了大量研究，但是由于具有易轉(zhuǎn)移特性和對現(xiàn)有治療的耐藥性，其仍然是引起死亡的第二大重要原因。隨著精準(zhǔn)醫(yī)療的不斷發(fā)展，越來越多的研究者認識到乳酸能夠參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展，在腫瘤細胞中乳酸可作為一種信號因子和基因調(diào)節(jié)因子影響腫瘤細胞增殖與免疫應(yīng)答。與正常細胞產(chǎn)生的乳酸不同，在正常細胞中，乳酸是葡萄糖無氧氧化的終產(chǎn)物，運動過程中也可以產(chǎn)生乳酸，但是正常細胞中的乳酸會重新轉(zhuǎn)變?yōu)楸幔蛘咄ㄟ^乳酸循環(huán)進入肝臟異生為糖而被機體很快代謝掉，而在癌癥發(fā)生過程中乳酸的產(chǎn)生量是保持不變的，其會不斷產(chǎn)生。究其原因是腫瘤細胞中普遍存在有“瓦伯格效應(yīng)”，其重要的特征就是即使在氧氣充足的條件下，癌細胞的能量代謝仍以糖酵解為主，產(chǎn)生大量的乳酸。而乳酸是導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境免疫抑制的關(guān)鍵因子，它直接和通過其對腫瘤微環(huán)境(TME)的酸化在癌癥生物學(xué)中起著重要作用。

免疫細胞是指參與免疫應(yīng)答或與免疫應(yīng)答相關(guān)的細胞，它主要分兩種類型：先天性免疫細胞和后天獲得性免疫細胞。先天性免疫細胞主要包括NK細胞、巨噬細胞、中性粒細胞、肥大細胞及嗜酸性粒細胞等，在遇到對人體有害的細菌、病毒、病變和癌變的細胞時，就會主動發(fā)出攻擊并消滅對方。后天獲得性免疫細胞包括T細胞、B細胞等，其屬于被動反擊型，需要被活化，經(jīng)過采集情報等一系列復(fù)雜的過程之后才可以發(fā)揮作用，具有特定性與局限性。

2 乳酸對先天性免疫細胞的影響

2.1 對巨噬細胞的影響 巨噬細胞源自單核細胞，根據(jù)活化狀態(tài)和發(fā)揮功能的不同，巨噬細胞主要可分為M 1型和M 2型。M 1型巨噬細胞可以通過招募趨化因子(CXCL 10)和激活其他免疫效應(yīng)細胞來間接靶向癌細胞，參與正向免疫應(yīng)答,發(fā)揮免疫監(jiān)視的功能。M 2型巨噬細胞被廣泛認為具有與M 1型巨噬細胞相反的功能，是促進腫瘤進展的關(guān)鍵，其可以釋放各種細胞因子(IL-10、IL-13)和生長因子(TGFβ)促進免疫抑制、癌細胞侵襲/轉(zhuǎn)移(例如EGF、MMP等)和血管生成(如VEGF、TNFα等)。一系列研究表明，癌細胞產(chǎn)生的乳酸在TME中具有誘導(dǎo)巨噬細胞向M 2極化的功能。腫瘤細胞通過活躍的糖酵解代謝產(chǎn)生大量的丙酮酸，丙酮酸進而在乳酸脫氫酶的催化下轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗帷Ｓ捎谀[瘤內(nèi)乳酸的堆積，導(dǎo)致腫瘤細胞外液呈酸性，形成酸性的腫瘤微環(huán)境，誘導(dǎo)巨噬細胞向M 2極化，有利于腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。細胞實驗中將T細胞與單核巨噬細胞(THP-1)共培養(yǎng)，用乳酸(15 mmol/L)進行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)M 2型腫瘤相關(guān)巨噬細胞(TAM)分泌的細胞因子、如IFN-γ和IL-10、HIF-1a和PD-L1的表達顯著上調(diào)(<0.05)，M 1型巨噬細胞分泌的細胞因子、TNF-a和IL-12表達下降(<0.05)。乳酸對巨噬細胞的影響是可逆的，當(dāng)酸度返回到正常生理水平時，可扭轉(zhuǎn)腫瘤相關(guān)巨噬細胞向M 2型極化。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的納米材料被報道可通過調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境進而實現(xiàn)腫瘤治療。研究人員采用兩種方法對弱酸性的TME進行破壞：利用無機納米材料直接消耗微環(huán)境中的 H+；通過調(diào)節(jié)基因的表達，減少乳酸的產(chǎn)生，切斷H+的來源?？傊?，納米材料可利用自身消耗 H+或者作為基因載體調(diào)節(jié)乳酸含量而改變TME的pH值，進而幫助抑制腫瘤生長。

2.2 對NK細胞的影響 自然殺傷細胞(natural killer cell，NK)是機體重要的免疫細胞，具有良好的抗腫瘤作用。NK細胞在識別出病變細胞后，可以通過以下兩種機制來保護宿主，一是通過產(chǎn)生穿孔素、顆粒酶、細胞因子調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，如NK細胞可分泌促炎細胞因子IFN-γ、腫瘤壞死因子TNF和趨化因子CCL 3-5,它們刺激巨噬細胞吞噬和溶解，上調(diào)MHC I類在抗原呈遞細胞上的表達，招募額外的免疫效應(yīng)復(fù)合物，促進細胞毒性。二是直接殺傷靶細胞。乳酸誘導(dǎo)的TME細胞外酸中毒可抑制NK細胞的抗腫瘤活性，對黑色素瘤小鼠模型的研究表明，將TME pH降低到5.8～7.0，降低了裂孔顆粒含量，如穿孔素和顆粒酶的釋放。 它還降低了IFN-γ和TNF-α的分泌，從而降低了對腫瘤細胞的細胞毒性反應(yīng)。

2.3 對中性粒細胞的影響 中性粒細胞在原發(fā)腫瘤免疫細胞浸潤中占據(jù)相當(dāng)大的比例。 Meta分析表明，高密度的瘤內(nèi)中性粒細胞與不良生存獨立相關(guān)，而瘤周中性粒細胞和基質(zhì)中性粒細胞則不是。腫瘤相關(guān)中性粒細胞(TANs)積極參與腫瘤進展的各個步驟，并已被報道具有抗腫瘤和促腫瘤兩種截然不同的作用。一方面TANs通過直接的細胞毒性抑制腫瘤的進展和轉(zhuǎn)移，但是另外一方面其還可以通過促進血管生成、促進腫瘤遷移和侵襲，發(fā)揮免疫抑制。與腫瘤相關(guān)巨噬細胞(TANs)一樣，對腫瘤有不同作用的TANs可分為N 1型和N 2型，N1型中性粒細胞被認為具有殺死腫瘤細胞的潛力，其機制是由于激活免疫因子如TNF-α、ICAM-1、FAS，使得免疫因子水平升高以及直接的抗體依賴性細胞毒性。 N 2型的特點是具有較高的精氨酸酶和促腫瘤因子(如CCL 2、CCL 5、組織蛋白酶G、中性粒細胞彈性蛋白酶)的表達，從而誘導(dǎo)TME的免疫抑制。有研究證據(jù)表明癌細胞分泌產(chǎn)生的乳酸引起的細胞外酸中毒是調(diào)節(jié)中性粒細胞凋亡和功能的關(guān)鍵因子，一方面乳酸分泌增加導(dǎo)致中性粒細胞凋亡延遲，誘導(dǎo)中性粒細胞向N 2型分化。另外調(diào)控細胞凋亡的關(guān)鍵因子caspase3在酸性的TME影響下，其激活也會減少。酸性TME中的TANs表達高水平的β2整合素和CD b/CD 18，它們通過T細胞抑制、血管生成因子的產(chǎn)生和蛋白酶的分泌等多種機制促進腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移。

2.4 對樹突狀細胞(dendritic cell，DC)的影響 DC在啟動特異性抗腫瘤T細胞應(yīng)答中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。DC活化相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路主要包括絲裂原活化蛋白激酶 p38(p38 MAPK)、細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)等。ERK 信號通路的活化主要影響DC的存活和增殖，而p38 MAPK、JNK和NF-κB途徑的活化主要促進DC的活化，包括上調(diào)表面共刺激因子CD80、CD86和MHCⅡ類分子的表達，及促進炎性細胞因子的合成和釋放。李成銀等在研究中發(fā)現(xiàn)乳酸可通過抑制DC 的p38 MAPK和NF-κB信號通路的活化來實現(xiàn)對其功能的調(diào)控，還可以通過抑制DC細胞共刺激因子CD 80、CD 86和MHC Ⅱ的表達，并下調(diào) TNF-α和IL-12的表達，從而抑制DC對T細胞活化增殖的促進作用。乳酸對DC細胞的影響也是可逆的，當(dāng)用NaOH中和乳酸，使其達到pH 7.4，結(jié)果顯示乳酸對DC活化的抑制作用消失了。

2.5 對髓樣來源抑制性細胞(MDSCs)的影響 MDSCs是骨髓來源的一群異質(zhì)性細胞，被認為具有顯著的阻止先天和適應(yīng)性免疫的能力。近期的研究表明，MDSCs在擺脫休眠、促進腫瘤細胞隱性轉(zhuǎn)移方面也起到了重要作用。在酸性TME中，MDSC活性通過乳酸誘導(dǎo)的HIF1α途徑增加，導(dǎo)致程序性死亡配體1(PD-L1)表達增加，髓系細胞死亡。 此外，MDSCs可以通過增加血管生成和增強腫瘤細胞干細胞來啟動轉(zhuǎn)移前生態(tài)位的形成。

3 乳酸及酸性的TME對適應(yīng)性免疫細胞的影響

3.1 對細胞毒性T淋巴細胞(CTL)的影響 CTL發(fā)揮免疫作用的機制在于其在殺傷靶細胞的過程中可產(chǎn)生多種細胞毒介質(zhì)，這些介質(zhì)包括：穿孔素、絲氨酸酯醇、干擾素和腫瘤壞死因子等，從而促使靶細胞溶解和死亡。然而由癌細胞產(chǎn)生的乳酸所引起的酸性TME對CTL有多種損害作用，包括趨化和呼吸活動受損，其潛在的機制是乳酸減少CTL在TME中的招募，捕獲已經(jīng)存在的T細胞，通過損害趨化性，進一步抑制TME中浸潤CTL的功能。在病理TMEpH為6.0～6.5的荷瘤小鼠中，CTL細胞溶解活性和細胞因子分泌顯著降低。乳酸通過SMCT2轉(zhuǎn)運體內(nèi)化后，CD4輔助T細胞和CTL要么抑制磷酸果糖激酶，要么下調(diào)己糖激酶-1活性，從而抑制糖酵解，降低細胞運動。 因此，T細胞失去了對趨化因子的反應(yīng)性，不再在全身遷移。

3.2 對調(diào)節(jié)性T細胞(regulatory T cell，Tregs)的影響 Tregs在癌癥免疫中，通過抑制抗腫瘤免疫來支持腫瘤的發(fā)展和進展。與其他免疫細胞不同，Tregs在酸性TME中的活性和募集增加。 體外模擬酸性的腫瘤微環(huán)境，將細胞培養(yǎng)基調(diào)至 pH 6.7，培養(yǎng)72 h后檢測Treg細胞的增殖變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較之pH 7.4的對照組，Treg細胞在酸性培養(yǎng)條件下增殖明顯，凋亡(早期凋亡+晚期凋亡)減少。酸性條件下，Treg細胞的氧化磷酸化(OXPHOS)相關(guān)基因pgc1a、cox5b表達顯著上調(diào)，OXPHOS是 Treg 維 持 功 能 的 主 要 代 謝 方 式，OXPHOS途徑的活化使Treg能夠適應(yīng)缺血、缺氧、酸性的腫瘤微環(huán)境并發(fā)揮免疫抑制功能，且酸性環(huán)境下，Treg細胞中Foxp 3表達顯著增多。Foxp 3是控制Treg細胞發(fā)育和功能的主要調(diào)節(jié)因子，實驗表明，在體內(nèi)或體外誘導(dǎo)初始T細胞表達Foxp 3后可以出現(xiàn)Treg樣的免疫抑制作用。

4 總結(jié)與展望

腫瘤細胞的發(fā)生發(fā)展離不開自身所處的腫瘤微環(huán)境，而這種微環(huán)境內(nèi)的免疫細胞及其調(diào)節(jié)方式對腫瘤的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。在腫瘤生長的早期，由腫瘤細胞募集和激活的免疫細胞可形成抑瘤的炎性微環(huán)境，阻礙腫瘤的發(fā)展。但是隨著腫瘤細胞的不斷增殖和持續(xù)免疫激活反應(yīng)，TME發(fā)生動態(tài)變化：免疫效應(yīng)細胞出現(xiàn)耗竭或重塑從而無法發(fā)揮正常功能。導(dǎo)致上述變化的重要原因是Warburg效應(yīng)是腫瘤細胞的重要代謝特征，而這一代謝過程會產(chǎn)生大量“代謝廢物”乳酸，它直接和通過其對TME的酸化發(fā)揮免疫抑制的作用,促進癌細胞增殖轉(zhuǎn)移。此外，酸性環(huán)境對正常細胞也是有毒的，它能夠促進蛋白酶對ECM 的降解，通過釋放血管內(nèi)皮生長因子(VEGF) 增加血管生成，抑制腫瘤免疫抗原反應(yīng)等。目前乳酸在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮的作用越來越被重視，被認為是腫瘤治療中一個極具有希望的新靶點。