髓源性抑制细胞在结直肠癌进展中的作用及治疗进展

蔡婧珊,夏雪莉,王胜军

(江苏大学医学院,江苏 镇江 212013)

结直肠癌是消化系统常见的恶性肿瘤之一,其发病率在恶性肿瘤中居第三位,死亡率居第二位[1]。结直肠癌的发生可能与遗传易感性、表观遗传变化、肠道生态系统的改变和不良生活习惯等多种因素有关[2]。此外,慢性炎症也可加速结直肠癌的进展。慢性炎症的微环境中存在许多重要的细胞因子,它们通过诱导活性氧的产生,促进炎症的持续反应,导致DNA损伤或激活肿瘤形成信号,进而引发癌变[3]。这些细胞因子的分泌依赖于肿瘤与免疫系统之间复杂的相互作用。在结直肠癌患者复发风险评估中,肿瘤浸润性免疫细胞可作为潜在的预后指标,提示结直肠癌的发展规律[4]。然而,机体内还存在相反活性的免疫细胞,即抗肿瘤和促肿瘤活性免疫细胞,具体表达何种活性取决于它们接收到的信号。在正常生理情况下,粒-单核细胞系祖细胞可分化为中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞；而在慢性炎症下,有一类未成熟髓细胞持续地生成,虽然它们在形态和表型上与中性粒细胞和单核细胞相似,但具有不同的基因组和生化特征以及功能活性。因其抑制免疫系统的强大能力,这类细胞被称为髓源性抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)[5]。MDSCs在调控结直肠癌进展中的重要性日益显现,是近年来研究的热点[6-7]。本文重点关注MDSCs在结直肠癌转移中的作用,以及通过靶向MDSCs进行结直肠癌免疫治疗的新途径。

1 结直肠癌中MDSCs的表型鉴定

在结直肠癌的不同研究中,用于检测和鉴定MDSCs的表型标志往往存在差异[8]。结直肠癌肿瘤微环境中MDSCs亚群的鉴定仍然很困难,主要归因于骨髓细胞的起源、异质表型和相互转化。当前比较公认的MDSCs表型是CD11b+HLA-DR-Lin-CD33-及其功能标志,例如诱导型氧化亚氮合酶和精氨酸酶1,这些标志提供了一个初始框架,并可由其他标志进行补充[2]。例如CD14、CD15、CD62L、CD54、LOX-1、PD-L1或CD124(IL-4αR)。根据Mye-EUNITER组织的最新建议,多形核髓源性抑制细胞(polymorphonuclear MDSCs,PMN-MDSCs)的鉴定,至少需要满足的表型特征是CD14-CD11b+CD15+(或CD66b+),对于单核样髓源性抑制细胞(monocytic MDSCs,M-MDSCs),相应表型特征是CD11b+CD14+HLA-DRlow/-CD15-,而对于早期阶段髓源性抑制细胞(early-stage MDSCs,e-MDSCs),则是Lin-(CD3/14/15/19/56)/HLA-DR-/CD33+[3]。

2 MDSCs参与结直肠癌的恶性进展

多项研究结果表明[9-11],在小鼠模型或结直肠癌患者中,外周血和肿瘤组织中的MDSCs与癌症分期和转移发展密切相关,是结直肠癌发展的风险因素。值得注意的是,虽然与健康志愿者或结直肠癌未转移患者相比,PMN-MDSCs、M-MDSCs和e-MDSCs这3种MDSCs亚群在结直肠癌转移患者外周血中的比例更高,但对于特定的MDSCs亚群在结直肠癌发生和转移中发挥的主要作用,尚无统一观点[2]。

2.1 MDSCs的免疫抑制作用

免疫抑制微环境是肿瘤微环境中起抑制免疫功能的部分,研究表明[5-7],MDSCs作为主要的抑制性免疫细胞群之一,对结直肠癌的发展至关重要。在结直肠癌患者中,精氨酸酶1、活性氧和氧化亚氮是MDSCs抑制细胞毒性T细胞功能的效应分子[12-13]。由活性氧和氧化亚氮协同产生的过氧亚硝酸盐能造成T细胞受体(TCR)/CD8复合物中酪氨酸的硝化,直接破坏TCR/CD8复合物的构象灵活性。受损的TCR/CD8复合物不能与载有抗原肽的主要组织相容性复合体(MHC)I类分子相互作用,导致CD8+T细胞无法对抗原特异性刺激产生反应[14]。在小鼠结直肠癌移植瘤模型中,位于肿瘤缺氧区域的MDSCs高表达缺氧诱导因子1α(HIF-1α),该分子可诱导精氨酸酶1和诱导型氧化亚氮合酶的产生以及T细胞活化的V域Ig抑制因子上调,促进MDSCs介导的T细胞抑制[15]。同时,缺氧能控制MDSCs的分化。Kumar等[16]发现,在肿瘤的缺氧部位,MDSCs中信号传导及转录激活蛋白3活性下降,并由此导致CD45酪氨酸磷酸酶活性下降,这些变化使MDSCs有向肿瘤细胞相关的巨噬细胞分化的倾向。上述因素使MDSCs在肿瘤条件下具有强效且非特异的免疫抑制活性。

2.2 MDSCs的非免疫抑制作用

在癌症的恶性进展中,肿瘤细胞会开发多种机制逃避机体免疫系统的识别和攻击,其中就包括MDSCs的产生。MDSCs除了具有免疫抑制活性,参与肿瘤免疫逃避,还有非免疫抑制作用,能够直接刺激或促进肿瘤的生长和转移。

2.2.1 MDSCs促进肿瘤细胞上皮间质转化 上皮间质转化是上皮癌的转移起始步骤。上皮来源肿瘤细胞发生上皮间质转化后,逐渐失去细胞极性,细胞骨架经历重塑,细胞间的连接也遭到破坏,减弱了细胞黏附性,使其更容易迁移和侵袭[17]。因此,上皮间质转化可能是肿瘤细胞离开细胞外基质,进入血液或淋巴循环的有力驱动,MDSCs可能参与了该过程。Wang等[6]研究表明,在缺氧条件下,PMN-MDSCs来源的外泌体能够通过依赖钙结合蛋白S100A9介导对结直肠癌细胞干性的调节。除此之外,MDSCs通过释放基质金属蛋白酶(MMP)2、8、9、13和14,降解细胞外基质,重塑基底膜,促进肿瘤细胞迁移[18-19]。

2.2.2 MDSCs促进肿瘤细胞外渗 虽然癌细胞成功地离开了细胞外基质,但由于其大小的限制,癌细胞很容易被困在毛细血管中。在没有物理屏障的情况下,循环肿瘤细胞(circulating tumors cells,CTCs)难以主动黏附内皮细胞,此时血管内皮生长因子(VEGF)的存在十分必要。在肿瘤的原发部位,MDSCs通过产生VEGF,激活内皮细胞中的Src-黏着斑激酶复合物,破坏内皮细胞屏障功能,从而促进细胞旁通透性[20]。此外,内皮细胞通过上调E选择素的表达以促进肿瘤细胞的黏附,加速其外渗[21]。因此,抗 VEGF 抗体常常被用于结直肠癌治疗的临床试验(NCT04715633、NCT00109226)。

2.2.3 MDSCs保护CTCs并促进其播散 事实上,并不是所有的CTCs都能导致转移,在血管内部存在的机械、物理剪切力和免疫监视作用下,大多数的肿瘤细胞终将死亡[22]。Sprouse等[23]在荷瘤小鼠和癌症患者外周血中检测到了CTCs簇,表明CTCs存活的策略可能是通过其与免疫循环细胞的相互作用而绕过免疫监视。Liu等[24]曾提出假说,MDSCs可以直接与CTCs相互作用,物理层面,MDSCs在CTCs周围形成一个外罩,保护CTCs免受免疫清除；生理层面,MDSCs可以在这个屏障内分泌可溶性因子,以维持肿瘤细胞干性,从而促进克隆扩张。Sprouse等[23]在体外实验和体内模型证明了这一猜想,CTCs与PMN-MDSCs形成物理簇,在这种情况下,PMN-MDSCs促瘤活性增强,产生更多的活性氧,并通过活性氧-核转录因子红系2相关因子2-抗氧化反应元件轴上调CTCs中Notch1受体的表达,而PMN-MDSCs上表达的Notch配体Jagged1与CTCs表面的Notch1受体结合后,可进一步活化CTCs的Notch信号通路,促进CTCs的存活和增殖。这些研究表明靶向 CTCs/PMN-MDSCs 簇可能是一种限制结直肠癌远处转移的新治疗途径。

2.2.4 MDSCs帮助形成转移前生态位 为了成功地转移性定植,肿瘤细胞不仅要发展出特定的遗传特征来促进肿瘤转移,还要改变远处靶器官的局部微环境,使组织更容易接收CTCs,这种易于肿瘤定植的环境被定义为转移前生态位[25]。显然,这种支持性转移微环境的形成离不开MDSCs的动态调节。对于结直肠癌患者来说,即使通过手术切除了原发肿瘤,癌细胞仍然可能扩散到肝脏。据报道有20%～70%的结直肠癌患者最终发展为肝脏转移,而MDSCs可能是影响转移前微环境形成的重要因素[26-27]。Zeng等[27]建立了原位结直肠癌小鼠模型,利用高通量转录组测序描绘出小鼠体内免疫细胞组成的动态变化,证实在转移前肝脏中存在着大量的MDSCs,可能与原发性肿瘤的代谢重编程和CCL28趋化因子轴有关。而在小鼠结直肠癌肝转移模型中,CCL9-CCR1趋化因子轴被证明严重影响MDSCs在转移前生态位中的积累,来自肿瘤细胞的CCL9通过CCR1受体招募未成熟的髓样细胞,诱导这些髓样前体细胞分化为MDSCs；相比之下,人源性结肠癌细胞分泌的CCL15触发MDSCs在肝脏中的扩张,支持转移前生态位的形成[28]。事实上,结直肠癌细胞还可通过分泌VEGF,刺激肿瘤相关巨噬细胞产生CXCL1,直接将CXCR2+MDSCs吸引至转移前肝脏,最终导致肝转移[26]。

2.2.5 MDSCs帮助激活休眠肿瘤细胞 随着转移前生态位发展,CTCs逐渐在器官中定植下来,经过多年的潜伏期后,最终从没有临床症状的微转移发展到明显的转移病灶。虽然到目前为止,尚不清楚何种信号可以影响肿瘤细胞的休眠特性,帮助它们存活很长时间,但有证据表明在结直肠癌远处转移阶段,MDSCs来源的CCL7是激活休眠肿瘤细胞的重要信号。Ren等[29]通过构建结直肠癌的体外休眠细胞模型和转移性休眠动物模型,发现与PMN-MDSCs相比,M-MDSCs对于启动休眠肿瘤细胞的生长更为关键。其主要机制是M-MDSCs 分泌的 CCL7 与休眠细胞膜上 CCR2 结合,刺激了 JAK/STAT3 通路从而激活休眠细胞。因此,研究人员对动物模型使用了小剂量的CCL7和MDSCs抑制剂,成功维持转移细胞的休眠状态,从而达到减少根治术后转移或复发的目的。

MDSCs可以通过不同方式调节结直肠癌肿瘤生长和转移,包括免疫抑制和非免疫抑制(上皮间质转化、外渗、播散、转移前生态位的形成和休眠肿瘤细胞的激活等),这些都提示了MDSCs对于结直肠癌的治疗有重要价值。

3 MDSCs在结直肠癌免疫治疗中的进展

结直肠癌的发生可受多种内在和外在因素影响,包括新突变的积累、预先存在的基因突变、家族史相关的易感等位基因以及长期存在的慢性炎症等。虽然治疗结直肠癌的化学疗法和免疫疗法不断更新发展,但目前手术仍然是结直肠癌患者唯一可靠的治疗方法。Xu等[7]对结直肠癌小鼠实施肿瘤切除术后,MDSCs在腹腔中富集且与不良预后有关,结果表明MDSCs是癌症免疫疗法的主要障碍。因此,为了提高结直肠癌患者的整体生存率,减少肿瘤转移发生的概率,考虑制定靶向MDSCs的新辅助疗法十分必要。

吉西他滨、5-氟尿嘧啶和多柔比星是目前用于肿瘤化疗的常规药物,通过诱导细胞凋亡减少MDSCs数量,当这些药物与免疫检查点封锁药物相结合时,可能会显示出协同作用。正如Limagne等[30]提供的证据,在转移性结直肠癌患者中,FOLFOX(5-氟尿嘧啶+奥沙利铂)化疗与贝伐珠单抗的联合治疗能更有效地降低PMN-MDSCs的数量及其免疫抑制活性,患者预后更好。此外,基因组不稳定性是结直肠癌的一个重要特征,其中染色体不稳定是最常见的类型,主要发生在DNA错配修复(mismatch repair,MMR)的肿瘤中。对于错配修复缺陷(MMR-deficient,dMMR)和微卫星不稳定性高(microsatellite-instability-high,MSI-H)的肿瘤,免疫检查点抑制疗法CTLA-4和PD-1治疗有效,但对错配修复完整(MMR-proficient,pMMR)和微卫星不稳定性低(microsatellite instability-low,MSI-L)的肿瘤,免疫反应较差[31]。这可能是因为肿瘤浸润T淋巴细胞无法识别MSI-L突变的肿瘤细胞[32],并且与dMMR-MSI-H肿瘤相比,pMMR-MSI-L肿瘤中存在大量的免疫抑制细胞(MDSCs和调节性T细胞)[33]。因此,使用MDSCs靶向治疗可能是帮助改善pMMR-MSI-L结直肠癌患者手术效果的潜在机会。

4 总结

综上所述,MDSCs在小鼠或结直肠癌患者疾病进展中发挥重要作用。在结直肠癌发展过程中,MDSCs通过不同的分子机制介导免疫抑制,增强肿瘤侵袭性和转移性来促进结直肠癌进一步发展。目前还没有确凿的证据表明某一特定MDSCs亚群在结直肠癌的进展过程中发挥主要作用,仍需要进一步的研究加强对MDSCs的认识,并为更好地了解MDSCs亚群在整个结直肠癌发展过程中的作用提供新的参考。此外,以MDSCs为靶向的疗法对拓宽其他肿瘤的治疗也具有重要意义。基于免疫检查点疗法和靶向MDSCs的联合治疗是发展肿瘤免疫治疗的合理方法,需要在临床试验中不断探索优化治疗策略。