乳酸在肿瘤生长、转移、免疫抑制和免疫治疗中的作用研究进展

魏珍，阿衣希塔·奴尔江，刘正，杜鹏

新疆医科大学第二附属医院神经外科，乌鲁木齐 830000

不受控制的无限增殖是肿瘤的基本特征［1］。在肿瘤发生发展过程中，代谢重编程发生在肿瘤细胞及邻近细胞中，支持肿瘤细胞快速增殖的高能量需求，并帮助肿瘤细胞在某些遗传或环境压力下存活［2］。“瓦伯格效应”是代谢重编程之一，是1924年由德国分子生物学家OTTO WARBURG提出的一种肿瘤独特的代谢特征。“瓦伯格效应”提示，即使在氧气充足的情况下，肿瘤细胞都会过度摄取葡萄糖并优先转化为乳酸。同时，为避免细胞内酸化，肿瘤细胞会通过转运蛋白将乳酸转运至细胞外，并造成酸性微环境［3］。近些年，随着人们对肿瘤发生发展、免疫抑制及耐药机制的深入研究，乳酸不再被认为是肿瘤有氧糖酵解的代谢废物，而是可作为能量底物、信号分子为肿瘤生长提供能量，促进肿瘤细胞免疫逃逸。目前认为，乳酸的过量产生及由此导致的酸性微环境促进了多个关键的致癌过程，在肿瘤的生长、转移、免疫抑制和免疫治疗抵抗方面发挥重要作用，现综述如下。

1 乳酸的来源和转运

肿瘤所处的内环境被称为肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME），由肿瘤细胞、内皮细胞、肿瘤相关成纤维细胞（cancer-associated fibroblasts，CAFs）和免疫细胞以及非癌性细胞基质组成，其中还含有大量由各种细胞分泌的可溶性细胞因子，以上成分相互影响并共同构成TME［1-3］。乳酸作为代谢产物被转运至TME中积累，参与构成TME，是肿瘤细胞与非肿瘤细胞共同造成的结果。

1.1 乳酸的来源 OTTO WARBURG［4］在20世纪20年代发现了肿瘤细胞独特的代谢特征。正常细胞仅在缺氧条件下通过无氧糖酵解产生乳酸为细胞供能，而肿瘤细胞即使在富含氧的环境中也优先选择把葡萄糖转化为乳酸获取能量，而非氧化磷酸化途径，该过程被称为“有氧糖酵解”或“Warburg effect”，这是TME中乳酸的主要来源。据估计，肿瘤细胞产生的乳酸是正常细胞的40倍［5］。此外，肿瘤细胞也通过谷氨酰胺代谢为自身供能。肿瘤细胞增加谷氨酰胺的摄取，并通过谷氨酰胺酶促使谷氨酰胺转化为谷氨酸，谷氨酸随后进入线粒体，以α-酮戊二酸的形式参与三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循环，后者转化为苹果酸，然后运输到细胞质，苹果酸在细胞质中氧化为丙酮酸，最后丙酮酸被乳酸脱氢酶A（lactate dehydrogenase isoform A，LDH-A）还原，产生乳酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucletide，NAD+）［6］。这是乳酸产生的又一来源。另外，TME中的非肿瘤细胞如CAFs，同样可摄取葡萄糖进行糖酵解产生乳酸［7］。

1.2 乳酸的转运 肿瘤细胞与非肿瘤细胞代谢产生的乳酸可以为肿瘤细胞生长提供能量来源，单羧酸转运蛋白（monocarboxylate transporters，MCTs）在其中发挥重要作用，细胞间乳酸穿梭主要依靠MCTs。MCTs属于溶质运载蛋白家族SLC16A亚家族成员，目前已发现该家族有14个成员，其中MCT1（SLC16A1）和MCT4（SLC16A3）在癌症代谢中很重要。低氧区域肿瘤细胞和非肿瘤细胞为避免细胞内酸化，通过MCT4将糖酵解产生的乳酸转运至TME后，被常氧区域肿瘤细胞和非肿瘤细胞通过过度表达的MCT1摄取为TCA循环提供原料，而葡萄糖则扩散至低氧区域继续促进肿瘤细胞糖酵解，此种现象为“代谢共生”，满足不同区域肿瘤细胞生长的能量需求［8-9］。

2 乳酸在肿瘤生长、转移、免疫抑制和免疫治疗中的作用

肿瘤中的血管输送营养物质和氧气，支持肿瘤细胞的生长、转移。乳酸不但通过介导各种信号通路促进新生血管生成，而且可以重塑免疫细胞表型，是肿瘤细胞重塑TME满足自我生长的利器。以乳酸信号通路和乳酸代谢为靶点是一种很有前景的治疗方法。

2.1 乳酸过量促进肿瘤的生长和转移 相对于正常细胞而言，肿瘤细胞对于营养物质的需求更高，细胞分裂需要更多的养分，转移入侵也需要养分。肿瘤组织中的新生血管为无限增殖、转移的肿瘤细胞提供了充足的养料和氧气。乳酸不但促进血管生成，还可作为信号分子间接发挥促肿瘤生长、转移的作用。首先，乳酸通过缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）依赖和HIF非依赖途径来促进肿瘤血管生成［10］。在HIF依赖途径中，乳酸参与肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophages，TAMs）介导的血管生成作用。TAMs通过生成血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）促进肿瘤血管生长，从而驱动肿瘤扩增，这一过程的关键在于TAMs中介导VEGF生成的转录因子HIF-2α的表达。巨噬细胞特异性液泡ATP酶（vacuolar ATPases，V-ATPases）是一种大型蛋白复合体，Atp6v0d2作为V-ATPase的亚基之一，在TAMs中介导溶酶体降解HIF-2α。肿瘤细胞衍生的乳酸通过激活mTORC1来抑制TFEB介导的Atp6v0d2的表达，下调TAMs中的ATP6V0d2，从而通过维持HIF-2α来增强肿瘤的血管化和生长［10］。在HIF非依赖途径中，内皮细胞通过MCT1摄取乳酸进入胞内转化为丙酮酸的过程导致烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）积累，后者激活NADH氧化酶，从而诱导活性氧（reactive oxygen species，ROS）的增加，并抑制脯氨酸羟化酶（prolyl hydroxylase domain，PHD）。ROS的增加和PHD的抑制导致人核因子κB抑制蛋白α（nuclear factor kappa-B inhibitor alpha，IκBα）降解增加，促发核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）的活性，激活促血管生成信号白细胞介素-8（interleukin-8，IL-8）途径达到促进血管生长的目的［11］。其次，乳酸也可与G蛋白偶联受体结合，作为信号分子发挥作用。乳酸是G蛋白耦联受体81（G-protein-coupled receptor 81，GPR81）的内源性配体。有研究［12］发现，在胰腺癌中，敲除GPR81降低了癌细胞MCT1与MCT4的表达，同时导致线粒体活性显著降低，细胞死亡显著增加。乳酸/GPR81对癌细胞存活的重要性在乳腺癌的研究中也被证实，GPR81可能是乳腺癌潜在的治疗靶点［13］。CHEN等［14］发现，GPR132是另一个乳酸受体，乳酸与TAMs上高表达的GPR132形成配体-受体对，使其向M2型极化，M2巨噬细胞的激活通过分泌多种细胞因子（如CCL17、IL-10、VEGF等）可刺激乳腺癌转移。

2.2 乳酸过量有助于肿瘤免疫抑制 TME中各种各样的免疫细胞在肿瘤的发生发展中起着至关重要的作用，包括T细胞、自然杀伤细胞（natural killer cell，NK）、树突状细胞（dendritic cells，DCs）和TAMs。乳酸可影响T细胞（主要是CD8+T细胞）和NK细胞活化及细胞毒性，抑制效应T细胞数量、增殖，帮助肿瘤细胞免疫逃逸。在高乳酸环境中，细胞内外形成的乳酸浓度差，促使胞外乳酸通过T细胞与NK细胞上MCT1或其它转运体以及不依赖转运体的扩散方式进入胞内，导致胞内低pH环境，致使活化T细胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）上调受限，从而导致γ干扰素（interferon-γ，IFN-γ）减少，影响T细胞与NK细胞活化［15-16］。有研究［15］得出，胞内酸化使T细胞与NK细胞颗粒酶B产生减少，减弱细胞毒性，无法靶向肿瘤细胞凋亡。效应T细胞主要依靠有氧糖酵解途径获能，产生的乳酸需有效转运至胞外。当胞外乳酸浓度升高时，阻碍胞内乳酸外排，乳酸积累会干扰能量代谢，这可能是效应T细胞数量减少原因［15］。NAD+在富含乳酸条件下被乳酸脱氢酶还原为NADH，NAD+可用性降低，限制了甘油醛3-磷酸脱氢酶和3-磷酸甘油酸脱氢酶的NAD+依赖性酶促反应，阻碍了糖酵解途径，影响T细胞增殖［15］。而糖酵解中间产物三磷酸甘油酸的减少导致T细胞增殖所必需的色氨酸减少［17］。

研究［18］显示，通过细胞上受体或胞内信号通路，乳酸可重塑树突状细胞（dendritic cells，DCs）功能。乳酸不仅可以阻断DCs分化、激活，促进免疫耐受，而且对浆细胞样树突状细胞（plasmacytoid dendritic cells，pDCs）功能也有抑制作用［19］。pDCs是Ⅰ型干扰素的主要生产者。乳酸通过与pDCs表面的GPR81结合或通过MCT1运输到pDCs细胞质中诱导胞内Ca2+动员，参与钙调神经磷酸酶（calcineurin phosphatase，CALN）信号，调节下游基因表达来抑制pDCs对I型IFN的诱导。胞内乳酸升高会增加pDCs的色氨酸代谢，导致过度产生犬尿氨酸，增强Treg细胞的扩增［19］。Treg细胞被认为是抗肿瘤免疫的主要障碍。KUMAGAI等［20］发现，在低葡萄糖高乳酸环境中效应Treg细胞（effector Treg cells，eTreg）对CD8+T细胞的抑制功能增强，CD8+T细胞既要与肿瘤细胞竞争能量来源，又要受到eTreg细胞的免疫抑制，大大削弱了其抗肿瘤作用。

TAMs由骨髓单核细胞来源的巨噬细胞和组织驻留巨噬细胞组成［21］。TAMs有抗肿瘤M1与促肿瘤M2两种表型。研究表明，乳酸有利于TAMs极化，从而形成促肿瘤M2表型，促进肿瘤免疫抑制。MU等［22］证明在小鼠乳腺癌模型中，乳酸通过激活ERK/STAT3信号通路诱导M2巨噬细胞极化，该信号通路上调缺氧诱导因子 1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α）、精氨酸酶1（arginase 1，Arg1）M2样巨噬细胞标志物的表达。ZHANG等［23］在小鼠肺癌和黑色素瘤模型研究中发现，乳酸在巨噬细胞的表观遗传调控中起重要作用，细胞外和细胞内乳酸水平诱导组蛋白乳酸化，导致M1巨噬细胞极化过程中M2样基因（如ARG1）表达增加。与其它实体肿瘤不同的是，小胶质细胞是存在于中枢神经系统的组织驻留巨噬细胞群体，是胶质瘤微环境中TAMs的主要来源。人胰岛素样生长因子结合蛋白6（Insulin-like Growth Factor Binding Protein 6，IGFBP6）的表达受胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）细胞中乳酸的产生调节，乳酸可使GBM细胞IGFBP6表达增加，而IGFBP6又可激活胞内IGFBP6/SHH/TLR4轴使GBM产生乳酸。研究［7］显示，IGFBP6的表达增加促使小胶质细胞M2样极化，帮助GBM细胞发生免疫逃逸。

2.3 乳酸过量可引起肿瘤免疫治疗抵抗 手术、化疗和放疗目前仍然是大多数肿瘤的主要治疗手段，但手术切除病灶的同时不可避免损伤肿瘤边缘组织。而一些患者对化疗药物耐药，使治疗遇到瓶颈期。因此需要研究新的治疗方法。免疫检查点抑制剂（Immune checkpoint inhibitors，ICIs）是近年来的研究热点。ICIs通过靶向特定分子，如程序性死亡受体-1（programmed cell death 1，PD-1）或其配体以及细胞毒性T淋巴细胞抗原4（cytotoxic T lymphocyte-associated protein 4，CTLA-4）等，导致免疫系统的激活和有效的抗肿瘤免疫反应。2011年和2014年靶向CTLA-4、PD-1的ICIs被食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准用于多种肿瘤治疗，随后PD-L1抗体也成为第三组被FDA批准的ICIs。TME中普遍存在着乳酸，有文献报道乳酸堆积对抗肿瘤免疫治疗有不利作用。在小鼠黑色素瘤及结直肠癌模型中［24］，敲除m6A去甲基化酶ALKBH5后，其下游靶基因MCT4/Slc16a3mRNA水平降低，测定肿瘤间质液中乳酸显著下降，进而减弱TME中Treg细胞、骨髓来源的抑制性细胞（myeloid-derived suppressor cells，MDSCs）的招募，上述现象只发生在抗PD-1治疗过程中，这为PD-1抗体治疗抵抗机制及提高免疫治疗疗效研究提供了思路。除此之外，eTreg细胞与CD8+T细胞之间PD-1表达失衡也是PD-1抑制剂失效的机制之一，且乳酸参与其中。高乳酸环境下，eTreg细胞通过高表达MCT1从TME中摄取乳酸，促进NFAT1入核并诱导eTreg细胞表达PD-1，而抑制CD8+T细胞PD-1表达，导致PD-1阻断疗法失效［20］。GAO等［25］在2019年构建了一个负载乳酸氧化酶（LOX）和糖酵解抑制剂（3PO）并包被红细胞膜（mRBC）的中空MnO2（HMnO2）催化纳米系统（PMLR），得益于mRBC的长循环特性，PMLR逐渐在肿瘤部位累积，细胞外PMLR通过LOX催化乳酸的氧化反应，消耗TME中乳酸，细胞内PMLR释放糖酵解抑制剂阻断乳酸来源。他们的研究证明，PMLR在与PD-L1疗法相结合时M2巨噬细胞比例下降，检测到了IFNγ和IL-6两种免疫激活细胞因子，且实验小鼠的生存期较单独使用PD-L1疗法延长，这表明乳酸的消耗可以提高PD-L1疗法的疗效。上述研究结果反应出乳酸是引起ICIs治疗欠佳不容忽视的一个因素。

综上所述，乳酸作为供能物质、信号分子，在肿瘤生长、转移、免疫抑制及治疗抵抗等方方面面发挥着不容忽视的作用。随着研究的不断开展，深入挖掘乳酸参与的潜在促肿瘤机制，有利于发现新的治疗靶点。深入探讨乳酸引起的肿瘤治疗抵抗机制，有助于制订联合治疗策略，较单一药物治疗更能延长患者生存期，扩大受益患者范围。