癌症相关性炎症与肿瘤微环境相关研究进展*

综述 焦顺昌 审校

肿瘤相关性炎症是癌症的关键特征之一［1-2］。白细胞介素（interleukin，IL）、趋化因子和淋巴因子等细胞因子参与炎症过程的介导与调控［3-4］。各类细胞因子间以及其膜受体与可溶性受体间存在相互协同、抑制、拮抗等复杂关系，形成细胞因子网络。恶性肿瘤细胞因子网络复杂，在影响肿瘤生物学的各种因素中扮演着重要角色［5］。肿瘤组织是由肿瘤细胞、间质细胞以及其他非细胞成分共同构成的复杂组织。肿瘤相关性炎症可通过改变组织内稳态，在构建适宜肿瘤生长的环境中发挥重要作用。肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）是肿瘤演化的关键因素，而癌症引起的炎症是TME的重要组成部分［6-7］。本文就炎症、细胞因子网络与肿瘤微环境相关研究进展予以综述。

1 癌症相关性炎症

炎症是机体应对感染和组织损伤的适应性反应，以血管反应、免疫细胞的募集和分子介质的释放为主要特征。炎症反应的主要目的是对抗病原体或有害刺激、修复损坏的组织以及恢复体内平衡。若炎性刺激长期存在或炎症调控机制失控将导致一系列的疾病，如自身免疫疾病、组织纤维化以及癌症［8］。癌症与炎症的相关研究在早期主要着眼于炎症的促癌作用［9］，如在肝癌中炎症可直接促进肿瘤细胞增殖与存活，并通过影响免疫调控使得肿瘤逃逸免疫系统的监视。此外，炎症还可以诱导血管生成以及基因组不稳定性来促进肿瘤发展［10］。近年来恶性实体瘤继发性炎症则已成为研究热点［11］。癌症可影响炎症级联反应进而调节免疫系统并导致肿瘤进展或缩小。“肿瘤源性炎症”的分子信号与致癌性突变和肿瘤诱导因素等致癌关键步骤相关［7］。多数肿瘤可诱导炎性微环境且与肿瘤的异质性无关。此外，缺氧是许多实体瘤共同的促肿瘤因素。肿瘤的高度增殖、血管缺陷、酸化及异常血管生存等因素，导致微环境缺氧进而激活缺氧诱导因子-1（hypoxia inducible factor，HIF-1），包括的HIF-1β和HIF-1α或HIF-2α等HIF-α亚型［12］。肿瘤释放的生长因子和肿瘤微环境通过激活磷脂酰肌醇-3-羟激酶（phosphati⁃dylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）和丝裂原激活的蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路，促进HIF-1α合成。肿瘤相关巨噬细胞（tumorassociated macrophages，TAMs）在肿瘤低氧区域激活HIF-1α后诱导肿瘤细胞表达程序性死亡配体-1（programmed death-ligand-1，PD-L1），抑制细胞毒性淋巴细胞（cytotoxic lymphocyte，CTL）活性［13］。因此，HIF-1是多数进展期肿瘤激活转录因子/信号通路和直接控制炎症反应的良好例证。IL-1和IL-6等细胞因子促进癌变细胞的存活，克服癌基因诱导的衰老并促进TME的重塑、肿瘤进展和耐药。抑癌基因p53的缺失可引起炎性细胞因子过表达，驱动肿瘤侵袭和转移或协助克服致癌性转化诱导的衰老［14-15］。

2 肿瘤微环境

TME即肿瘤细胞产生和生活的内环境，其中不仅包括了肿瘤细胞本身，还有其周围的成纤维细胞、免疫和炎性细胞、胶质细胞等各种细胞，同时也包括附近区域内的细胞间质、微血管以及浸润在其中的生物分子。低氧、低pH以及高压是TME最明显的特征。肿瘤通过TME减弱抗肿瘤免疫反应，维持增殖、逃避细胞凋亡以及保持炎性环境和血管生成等特征。将免疫监视功能从肿瘤清除转向肿瘤诱发是一个涉及多个信号通路的复杂过程，受周围组织中肿瘤细胞、免疫细胞和其他非肿瘤细胞如上皮细胞或肿瘤相关成纤维细胞（cancer associated fibroblasts，CAFs）表达的细胞因子的影响。癌症免疫监视的促肿瘤性免疫抑制过程依赖于募集CAFs、肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophages，TAMs）、肿瘤相关中性粒细胞（tumor-associated neu⁃trophils，TANs）、骨髓源性抑制细胞（myeloid-derived suppressor cells，MDSCs）、调节性T细胞（regulatory T cells，Tregs）和其他改变TME中免疫细胞数量平衡的其他细胞。最终结果是增加炎症和血管生成，以及中性粒细胞表型从N1向N2的转换、巨噬细胞从M1向M2的转换和T细胞从Th1向Th2的转换，以及CTLs与抗原提呈细胞（antigen-presenting cells，APCs）的数量与活性的降低［16］。成熟树突状细胞（dendritic cells，DCs）数量的大幅度减少使得有更多单核细胞前体可用以支持不断增长的TAM2和MDSCs细胞群。随后，这些免疫细胞间建立的细胞因子网络相互增强，且有助于在促肿瘤为主的TME中保持免疫细胞的数量。此外，似乎转化生长因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、HIF-1α、趋化因子和炎性细胞因子（特别是Th2诱导的细胞因子）都与肿瘤诱导的血管生成、炎症和免疫抑制相关联。而这种关系似乎在CAFs和调节性B细胞（regulatory B cells，Bregs）支持下，通过IL-4、IL-6、IL-10和TGF-β由Th2、TAM2、TAN2、Tregs和MDSCs相互强化来维持［17-18］。

3 癌症相关性炎症与肿瘤微环境的相互作用

3.1 促炎性细胞因子网络在肿瘤微环境中的作用

免疫细胞、癌细胞和基质细胞在TME中构成了复杂的调控网络。在这个复杂的网络中，通过彼此诱生、受体调节以及发挥生物效应等方式相互影响［19］。细胞因子由成纤维细胞和内皮细胞等合成，依赖于TME调节细胞增殖、存活、分化、活化、迁移和死亡。免疫细胞分泌的细胞因子也是肿瘤炎性反应的直接调节介质，不同因子互相作用诱导免疫细胞和肿瘤细胞发生功能变化，形成动态变化中的、复杂的TME，引发肿瘤恶性增殖及侵袭、转移等生物学行为［20］。癌症中常同时发生免疫刺激和免疫抑制，巨噬细胞移动抑制因子（macrophage migration inhibito⁃ry factor，MIF）、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis fac⁃tor-α，TNF-α）、IL-6、IL-8、IL-10、IL-18、和TGF-β等细胞因子同时增加。趋化因子通过向癌细胞发出信号和重构局部微环境促进肿瘤生长和侵袭，增加转移性病灶；另一些淋巴因子下调，则增强CTL活性并抑制肿瘤细胞生存，进而延缓肿瘤进展［21］。此外，肿瘤特异性以及非组织学依赖的细胞因子级联反应还可能是潜在的副肿瘤性全身性疾病的表现之一。既往研究表明，IL-6、IL-8、IL-10、IL-18、和TGF-β等多种细胞因子上调炎症反应为癌症进展不可或缺的因素［22］。特别是部分细胞因子可以激活NF-κB和STAT家族转录因子，进而与肿瘤“分泌蛋白质组”的其他成分将炎性环境、肿瘤和免疫细胞联系起来，并通过对生存因素的控制和调节TME直接促进肿瘤的形成与进展。以IL-6为例，其作用与生长因子相仿，对肿瘤细胞及TME均具有直接影响。目前已知的IL-6依赖性肿瘤包括肺癌、乳腺癌、胰腺癌、结肠癌、前列腺癌、胃癌，以及淋巴瘤、间皮瘤［23-26］。IL-6上调血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表达，促进血管生成［2］。VEGF 通过促进Th17细胞的诱导和存活，调节Treg和Th17细胞之间的平衡［27］；因此，IL-6对IL-17和IL-22等促炎性和促肿瘤性细胞因子分泌的影响超过TGF-β和IL-10等免疫调节细胞因子［28-29］。IL-6还能激活骨髓细胞，包括巨噬细胞和中性粒细胞，刺激其向抑制表型分化［30］。此外，子宫颈成纤维细胞上IL-6依赖性趋化因子（C-C 基序）配体 20［chemokine（C-C motif）li⁃gand 20，CCL20］的表达促进Th17的增殖以维持长期的促肿瘤性微环境［31］。STAT3的表达作用于IL-6家族所有细胞因子的下游，广泛涉及肿瘤发生［32］。IL-6/STAT3通路激活基因表达抗凋亡蛋白和增殖蛋白，如上皮细胞和癌细胞中的Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1等，使得肿瘤抗凋亡能力增强。临床上IL-6表达水平和肿瘤的分期、转移以及预后息息相关。血浆中IL-6水平高的患者，往往预示着肿瘤偏晚期，并伴随远处转移［33］，而且预后比水平低的患者差［34，35］。由此可见，促炎性细胞因子是肿瘤微环境的关键调控因子，控制肿瘤细胞增殖，促进炎症、血管生成和肿瘤转移。此外，IL-1β、IL-11、IL-17、IL-18、TNF等的相关研究也表明，网络化的促炎性细胞因子是肿瘤微环境的关键调控因子，可以控制肿瘤细胞增殖，促进炎症、血管生成和肿瘤转移［36］。

3.2 免疫编辑和免疫逃逸中的关键细胞因子网络

在分子水平，TGF-β、Th2细胞因子（包括IL-4、IL-5、IL-6、IL-10、IL-12和IL-13）、趋化因子（尤其是血管生成趋化因子）、VEGF、炎性因子和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF）等均在肿瘤逃避免疫监视的过程中扮演重要角色。

3.2.1 转化生长因子（TGF-β） TGF-β信号在致癌过程中被称为“双刃剑”，因其在正常上皮细胞或者肿瘤发生早期可抑制肿瘤；但随着肿瘤的发展，TGF-β信号也可促进晚期肿瘤进展以及转移［37］。TGF-β直接抑制自然杀伤细胞（natural killer cell，NK）、巨噬细胞和CTL的杀伤活性，并能抑制NK细胞和CTL的克隆增殖［38］。Nam等［39］利用细胞因子抗体芯片技术揭示了CD8+T细胞（一种细胞毒性T细胞的前体）在TME中被破坏，进而促进乳腺癌和结直肠癌细胞存活的机制。TGF-β信号似乎通过影响B细胞群组成在肿瘤免疫编辑中扮演重要角色。虽然B细胞已知可表达TGF-β受体且分泌TGF-β，但TGF-β的作用在调节B细胞功能，特别是在肿瘤免疫编辑方面尚不清楚［38］。TGF-β通过抑制T-bet和GATA3的转录活性而促进T细胞群中Th2表型，影响Th1/Th2平衡并且在骨髓源性抑制细胞（myeloid-derived suppressor cells，MDSCs）的增殖中起着重要的作用，这也是其在癌症免疫编辑中的主要作用之一。此外，TGF-β信号在血管生成中也起着重要的作用［40-42］。因此，作为对TGF-β信号的响应，多种促血管生成趋化因子为主要的MDSCs表达的细胞因子。Ⅱ型TGF-β受体基缺陷（Tgfbr2）乳腺癌小鼠模型的MDSCs分泌谱，为分析TGF-β信号增强抑癌而不是促癌提供了重要参考，并强调了髓样Gr-1+CD11b+细胞（MDSCs）和趋化因子在肿瘤进展中的重要性［43-44］。Yang等［43］发现在Tgfbr2缺陷小鼠中的MDSCs被特别募集到TME，导致肿瘤细胞存活和转移的增加；肿瘤大小与MDSCs的局部浓度成正比。同一个实验室一项同期研究的RT-PCR分析显示，来自Tgfbr2缺陷小鼠癌细胞GROα/Cxcl1、ENA-78/Cxcl5和COX2/Ptgs2的mRNA表达增加，抗体芯片技术确认Tgfbr2缺陷小鼠的肿瘤分泌的趋化因子显著增加，包括GROα/CXCL1、ENA-78/CXCL5、CXCL16、MIP-1γ/CCL9、MIP-3α/CCL20和“调节激活-正常T细胞表达和分泌蛋白”（RAN⁃TES/CCL5）［44］。

3.2.2 Th2炎性细胞因子 由Th2分泌的细胞因子主要包括IL-4、IL-5、IL-6及IL-10等，主要功能为刺激B细胞增殖并产生IgG，IgE抗体，在体液免疫过程中发挥着重要作用。机体正常时，Th1和Th2细胞功能处于动态平衡状态，但当机体接触抗原后，Th1和Th2细胞中某一亚群功能升高，另一亚群功能降低，该现象即为Th1/Th2漂移。由于Th1与Th2分泌的细胞因子不同，因此Th1/Th2漂移会引起体内细胞因子浓度的变化。一项基于DC-CIK的免疫治疗临床试验发现，在非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）患者中，已切除肿瘤的患者血浆中IL-4与IL-10浓度明显低于未切除的患者，这表明晚期肿瘤患者Th表型更倾向于Th2，意味着IL-4与IL-10的浓度可能与肿瘤的进展有关［45］。Qiao等［46］针对SMAD4（TGF-β信号的中介体）的抑癌基因研究发现，Smad4缺陷小鼠的T细胞倾向于Th2表型，IL-4、IL-5、IL-6、IL-13在T细胞上清液中含量较高。Smad4缺陷小鼠肠道组织病理学显示，免疫球蛋白A异常堆积，IgA+浆细胞浸润且血清IgA水平大幅升高，与Smad4缺陷小鼠胃肠道中上皮癌进展有关。此外，MDSCs也有助于维持Th2细胞因子的表达。肺转移癌异种移植模型中，肺溶解产物的广谱细胞因子抗体芯片分析显示：与正常的肺相比较，转移癌肺组织的MMP-9、碱性成纤维细胞生长因子/FGF2、IGF-1、IL-1β、MCP-1/CCL2、SDF-1/CXCL12和Th2细胞因子（IL-4、IL-5、IL-9、IL-10）显著增高［47］。

3.2.3 血管内皮生长因子（VEGF） 血管生成因子VEGF-A也具有抑制免疫的功能［44，48］。VEGF-A实际上是第一个被确认能抑制DCs成熟的细胞因子［44，49］。而VEGF信号更是一种与肿瘤促进炎症及血管生成相关的关键因素［50］。该研究应用细胞因子抗体芯片技术对内皮细胞分泌蛋白质的检测表明，VEGF通过VEGFR2有促炎性细胞因子的释放的自分泌效应，可诱导内皮细胞（非白细胞）中的IL-6、IL-8/CXCL8和GRO-α/CXCL1分泌增加；相反TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-8/CXCL8等炎性细胞因子可以诱导VEGF的表达。另外，在TME中缺氧不仅会诱发免疫抑制还能够诱发血管生成和炎症。炎症和血管生成细胞因子表达之间的协调和相互强化可通过低氧诱导和NF-κB信号通路连接VEGF和COX2［50-51］。此外，IL-8/CXCL8和其他促血管生成和或促炎因子（包括TNF、IL-1、IL-6和IL-8/CXCL8）的表达，通过HIF信号、过氧化氢的产生并NF-κB信号，由低氧条件调节。VEGF作为巨噬细胞的化学引诱物还会导致炎症和免疫抑制，而TAM则是VEGF、MMPs和炎症因子的重要来源，特别是M-CSF/CSF1可增加VEGF的表达，因此可以在炎症/血管生成和免疫抑制之间建立一个正反馈环路［52］。细胞外基质（extracellular matrixc，ECM）蛋白酶，尤其是MMPs可以通过对TME和周围组织的ECM蛋白的重构促进血管生成和炎症，同时也可在ECM中释放VEGF及其他血管生成因子。CAFs是TGF-β、VEGF、COX2和MMPs的丰富来源，因此在TME中是血管生成和炎症的主要因素［53-54］。

4 结论

慢性炎症在癌症的发生、发展、转移以及耐药过程中扮演重要角色；而癌症的发生与恶化还和遗传学改变的累积及调节过程失常相关。肿瘤相关性炎症促进癌细胞的增殖与存活，并参与抑制抗肿瘤免疫。不同细胞因子互相作用诱导免疫细胞和肿瘤细胞发生功能变化，形成动态变化中的、复杂的肿瘤免疫微环境，可能引起肿瘤恶性增殖、侵袭以及转移等生物学行为。肿瘤微环境中的炎症与包括肺癌、乳腺癌在内多种癌症的侵袭性和预后不良有关。尽管目前已取得了一些初步的研究成果，但仍需在细胞水平、动物模型以及临床相关研究工作中深入推进，从而更好地完善理论框架，以明确其是否可用于评估TME和/或外周血中的免疫细胞的募集、分化、增殖和激活/极化。总之，为癌症患者建立有效的抗肿瘤免疫反应是抗肿瘤治疗成功的关键。