乳酸對腫瘤微環(huán)境中免疫細胞的影響

楊 柳，金 晶，羅 雪

(湖北恩施學院 醫(yī)學院，湖北 恩施 445000 )

腫瘤細胞內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節(jié)因子影響腫瘤細胞增殖與免疫應答，乳酸對腫瘤微環(huán)境(tumor microenvirment,TME)的酸化導致免疫系統(tǒng)抑制，從而使得先天性和適應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節(jié)因子影響腫瘤細胞增殖與免疫應答。與正常細胞產生的乳酸不同，在正常細胞中，乳酸是葡萄糖無氧氧化的終產物，運動過程中也可以產生乳酸，但是正常細胞中的乳酸會重新轉變?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)生過程中乳酸的產生量是保持不變的，其會不斷產生。究其原因是腫瘤細胞中普遍存在有“瓦伯格效應”，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，產生大量的乳酸。而乳酸是導致腫瘤微環(huán)境免疫抑制的關鍵因子，它直接和通過其對腫瘤微環(huán)境(TME)的酸化在癌癥生物學中起著重要作用。

免疫細胞是指參與免疫應答或與免疫應答相關的細胞，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，經過采集情報等一系列復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細胞來間接靶向癌細胞，參與正向免疫應答,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，癌細胞產生的乳酸在TME中具有誘導巨噬細胞向M 2極化的功能。腫瘤細胞通過活躍的糖酵解代謝產生大量的丙酮酸，丙酮酸進而在乳酸脫氫酶的催化下轉變?yōu)槿樗?。由于腫瘤內乳酸的堆積，導致腫瘤細胞外液呈酸性，形成酸性的腫瘤微環(huán)境，誘導巨噬細胞向M 2極化，有利于腫瘤的侵襲和轉移。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，結果發(fā)現(xiàn)M 2型腫瘤相關巨噬細胞(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(<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，當酸度返回到正常生理水平時，可扭轉腫瘤相關巨噬細胞向M 2型極化。隨著納米技術的不斷發(fā)展，越來越多的納米材料被報道可通過調節(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+；通過調節(jié)基因的表達，減少乳酸的產生，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，一是通過產生穿孔素、顆粒酶、細胞因子調節(jié)免疫反應，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MHC I類在抗原呈遞細胞上的表達，招募額外的免疫效應復合物，促進細胞毒性。二是直接殺傷靶細胞。乳酸誘導的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。

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相當大的比例。 Meta分析表明，高密度的瘤內中性粒細胞與不良生存獨立相關，而瘤周中性粒細胞和基質中性粒細胞則不是。腫瘤相關中性粒細胞(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TME的免疫抑制。有研究證據表明癌細胞分泌產生的乳酸引起的細胞外酸中毒是調節(jié)中性粒細胞凋亡和功能的關鍵因子，一方面乳酸分泌增加導致中性粒細胞凋亡延遲，誘導中性粒細胞向N 2型分化。另外調控細胞凋亡的關鍵因子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、血管生成因子的產生和蛋白酶的分泌等多種機制促進腫瘤的生長和轉移。

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細胞應答中發(fā)揮至關重要的作用。DC活化相關的信號轉導通路主要包括絲裂原活化蛋白激酶 p38(p38 MAPK)、細胞外信號調節(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 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，當用NaOH中和乳酸，使其達到pH 7.4，結果顯示乳酸對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性細胞，被認為具有顯著的阻止先天和適應性免疫的能力。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活性通過乳酸誘導的HIF1α途徑增加，導致程序性死亡配體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移前生態(tài)位的形成。

3 乳酸及酸性的TME對適應性免疫細胞的影響

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生多種細胞毒介質，這些介質包括：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轉運體內化后，CD4輔助T細胞和CTL要么抑制磷酸果糖激酶，要么下調己糖激酶-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性，不再在全身遷移。

3.2 對調節(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)基調至 pH 6.7，培養(yǎng)72 h后檢測Treg細胞的增殖變化，結果發(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)相關基因pgc1a、cox5b表達顯著上調，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)育和功能的主要調節(jié)因子，實驗表明，在體內或體外誘導初始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)境內的免疫細胞及其調節(jié)方式對腫瘤的發(fā)展起著至關重要的作用。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，TME發(fā)生動態(tài)變化：免疫效應細胞出現(xiàn)耗竭或重塑從而無法發(fā)揮正常功能。導致上述變化的重要原因是Warburg效應是腫瘤細胞的重要代謝特征，而這一代謝過程會產生大量“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，通過釋放血管內皮生長因子(VEGF) 增加血管生成，抑制腫瘤免疫抗原反應等。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。