從免疫代謝途徑探討骨髓來源抑制細胞影響慢性腸炎癌變的效應機制

何善泉 陳 雪 李衛(wèi)東

1.中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院腫瘤科，北京 100053；2.中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院科研處，北京 100053

結直腸癌（colorectal cancer，CRC）是常見癌癥，主要包括遺傳性、散發(fā)性和結腸炎相關癌變（colitis associated carcinogenesis，CAC）[1]。潰瘍性結腸炎患者發(fā)生腸癌的風險較正常人高10 倍[2-3]。發(fā)生癌變的風險與有關炎性疾病的持續(xù)時間、嚴重程度高度相關[4]。雖然從腸炎到腸癌轉變的潛在機制難以捉摸，但是一系列由免疫和非免疫細胞分泌的促炎因子在腸道腫瘤的形成過程中發(fā)揮了重要作用[5-7]。

長期無法解決的慢性炎癥會影響局部和全身免疫，從而促進免疫抑制性腫瘤微環(huán)境的形成并支持腫瘤的進展，炎癥在擴展及招募骨髓源性抑制細胞（myeloid-derivedsuppressor cell，MDSC）進入腫瘤和炎癥性組織中起關鍵作用[8]。

MDSC 是腫瘤免疫微環(huán)境中主要的抑制性免疫細胞，在腫瘤發(fā)生過程中激活、擴增、動員并遷移至腫瘤區(qū)域與淋巴組織，從而促進腫瘤血管形成并破壞主要免疫監(jiān)視機制，使腫瘤細胞得以從免疫監(jiān)視中逃脫，最終促進腫瘤的侵襲轉移。基于MDSC 在慢性腸炎癌變中的重要地位，探明如何調(diào)控MDSC 抑制慢性腸炎癌變具有重要臨床價值。

1 免疫反應參與慢性腸炎癌變的全過程

慢性結腸炎由最初的傷害或接觸腸道菌群誘發(fā)，持續(xù)的炎癥會引發(fā)突變啟動癌變進程。CAC 常見的病理變化涉及各種類型的免疫細胞和基質(zhì)細胞的募集與失調(diào)。持續(xù)的免疫細胞和細胞因子的存在可能會將環(huán)境由炎癥向高度耐受的微環(huán)境轉變，這會進一步影響宿主的免疫監(jiān)視和保護性免疫，從而促進腫瘤進展[9-10]。

骨髓源性細胞和淋巴細胞在發(fā)炎腸道組織內(nèi)的大量浸潤是腸道炎性疾病的主要病理特征。樹突狀細胞（dendritic cells，DC）和巨噬細胞識別入侵微生物并調(diào)控促炎淋巴細胞的分化，例如T 輔助細胞1（T helper cell 1，Th1）、Th17、先天性淋巴樣細胞（innate lymphoid cells，ILC）和白細胞介素-17（interleukin-17，IL-17）+γδT 細胞。淋巴細胞進一步募集骨髓細胞進入局部腸道組織。這些骨髓細胞在促進炎性腸病（inflammation bowl disease，IBD）轉化為CAC 中起著重要的作用[11]。

適應性免疫系統(tǒng)的各種細胞與CAC 的發(fā)病機制有關。CD4+效應T 細胞產(chǎn)生促炎性腫瘤的發(fā)生微環(huán)境；IL-6 在腫瘤啟動和進展中均起著核心作用。因此，針對性的治療策略抗CD4+效應T 細胞或它們的細胞因子不僅可以減輕腸道炎癥，還可減輕患者CRC的風險[12-13]。

2 MDSC 引起的免疫抑制是影響慢性腸炎癌變的關鍵機制

MDSC 是免疫性抑制微環(huán)境核心成分。MDSC 的聚集被認為是關聯(lián)炎癥與癌癥的重要因素[14-16]。MDSC可以有效抑制抗腫瘤免疫，主要是通過抑制T 細胞介導的反應[17]、阻止自然殺傷細胞（natural killer cell，NK）激活[18]、限制DC 成熟、誘導調(diào)節(jié)性T 細胞（regulatory-T-cells，Treg）生成[19]等來實現(xiàn)。

腸道表皮細胞衍生和激活的免疫細胞因子和腸道菌群來源因子導致腸道中MDSC 的募集和激活[20-21]。激活的MDSC 會抑制DC 的抗原吸收和遞呈及隨后的CD4+T 細胞的增殖和活化，導致細菌滲透的部位病菌清除不充分，引起持續(xù)的炎癥刺激[22-23]。

同時，MDSC 衍生活性氧（reactive oxygen species，ROS）是IEC 損壞的主要誘因。MDSC 表達高水平的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶，進而導致ROS表達增加[24]。ROS 的長期暴露促進DNA 損傷和IEC中的染色體不穩(wěn)定性進而促進癌變。氧化應激增加導致p53 突變，該突變可引發(fā)腸道表皮細胞中的不典型增生[25]。DNA 的遺傳和表觀遺傳變化在非典型晚期進一步導致癌癥增生。

MDSC 聚集與癌前期狀態(tài)、癌癥分期、腫瘤負擔和CRC 患者的生存密切相關[26-27]。其抑制特性歸因于誘導型一氧化氮合酶和精氨酸酶-1，它們都參與了精氨酸的代謝。Chun 等[28]研究表明：趨化因子CCL2通過誘導型一氧化氮合酶和轉錄激活因子3 依賴性的ROS 產(chǎn)生來募集單核MDSC 和多態(tài)核-MDSC，進而抑制效應T 細胞功能，從而促進結腸炎相關癌變的發(fā)生；敲除CCL2 則阻止了結腸炎相關癌變的發(fā)展和腫瘤周圍MDSC 的聚集。招募MDSC 進入炎性狀態(tài)下的結腸黏膜和腫瘤需要CXC 趨化因子受體2 參與；而且由慢性炎癥募集的MDSC 通過抑制CD8+T 細胞毒性，有助于結腸炎相關腫瘤的形成和進展。對于接受結腸炎相關癌變的CSF2-/-小鼠模型而言，MDSC聚集嚴重受損；而當補充來自帶有結腸炎相關癌變的野生型小鼠MDSC 入CSF2-/-小鼠則導致結腸炎癌變的復發(fā)，這一結果提示，粒細胞巨噬細胞集落刺激因子在結腸炎相關癌變發(fā)病機制中起關鍵作用，并且與其對MDSC 的調(diào)控相關[29]。

3 線粒體能量代謝參與調(diào)控慢性腸炎癌變并影響MDSC 的功能

線粒體是動態(tài)細胞器，易響應環(huán)境刺激和細胞能源需求。線粒體改變與癌變的多個階段相關，包括致癌的轉化，腫瘤進展和轉移。研究表明，在結腸炎小鼠模型和IBD 患者體內(nèi)，IL-10 缺乏導致受損線粒體的積累和失調(diào)，NOD 樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）的失控激活[30-31]。在細菌感染期間，免疫細胞激活，細胞分化和極化依賴于代謝重編程。中性粒細胞、DC 和CD4+T 細胞發(fā)生代謝轉移，從氧化磷酸化到糖酵解[32]。線粒體代謝的轉變在記憶T 細胞靜止中和細菌感染過程中的激活反應起核心作用。刺激B 淋巴細胞誘導糖酵解和氧化磷酸化促進IgG 或IgA 抗體生產(chǎn)[33]。細胞代謝的改變是其惡性轉化的基礎。一項研究發(fā)現(xiàn)，mtDNA 突變在潰瘍性結腸炎癌前狀態(tài)下很常見，但在癌癥中為陰性，提示功能性線粒體是潰瘍性結腸炎惡性轉化中所必需的[34]。研究表明，在結腸炎發(fā)展為癌癥的過程中低氧在介導早期線粒體中起重要作用。缺氧在炎癥和癌癥中同時存在，并且有類似的代謝重編程途徑影響這兩種機制。缺氧誘導因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）是低氧狀態(tài)下的關鍵調(diào)控因子，參與減少腸道炎癥，研究提示HIF-1α 能消除結腸上皮中線粒體代謝物D-2-羥基戊二酸的合成，從而預防結腸炎相關癌癥[35]。

4 AMPK/核轉錄因子-κB（nuclear transcription factor-κB，NF-κB）/HIF-1α 代謝途徑是影響MDSC 功能的核心通路

炎癥時活化的免疫細胞及腫瘤細胞在快速增殖時傾向于用需氧糖酵解取代氧化代謝來滿足其高能耗對ATP 的高需求，快速利用葡萄糖并產(chǎn)生乳酸，即Warburg 效應，這一代謝應激過程抑制了ATP 分解代謝生成并激活AMPK。這種不同于正常細胞的代謝特征也許是慢性結腸炎相關癌變的新型早期診斷生物標志。此外，需氧糖酵解和乳酸產(chǎn)生HIF-1α 參與MDSC 調(diào)控。AMPK 不僅在調(diào)節(jié)組織能量代謝中起著至關重要的作用，還可以通過與免疫信號通路合作來控制免疫反應，影響免疫代謝和免疫細胞功能。

AMPK 激活可以通過抑制兩種主要免疫功能信號傳導途徑抑制炎癥反應，即NF-κB 和STAT 途徑。而相同的信號通路同樣控制著MDSC 的擴增和激活。在巨噬細胞中AMPK 激活促進了極化M1 促炎巨噬細胞對M2 抗炎的影響表型。此外，AMPK 激活可調(diào)節(jié)抗炎細胞因子的信號傳導，例如參與IL-10 抑制脂多糖誘導的促炎性細胞因子生成[36]。AMPKα1 缺陷的巨噬細胞和樹突狀表現(xiàn)出高度炎癥的功能和抗原提呈有利于促進Th1 和Th17 細胞反應能力的增強。巨噬細胞和從AMPKα1 缺陷小鼠產(chǎn)生的DC 會有更高水平促炎性細胞因子的生產(chǎn)，而抗炎細胞因子IL-10減少[37]。由于AMPK 在這些代謝過程中的重要調(diào)節(jié)作用，AMPK 激活藥物可能作為抗炎劑[38]。腸癌發(fā)生發(fā)展與炎癥和代謝密切關聯(lián)，這提示AMPK 的活化可能對于腸癌的防治非常有用。AMPK 激活劑可抑制MDSC功能并在許多癌癥中顯示抗腫瘤活性。活化的AMPK通過5-氨基咪唑-4-甲酰胺-核糖核苷或苯乙雙胍導致腸癌細胞凋亡[39]。

AMPK 信號還可與其他幾種信號通路合作控制能量代謝和免疫過程。AMPK 信號傳導能夠通過抑制主要免疫信號通路如NF-κB、C/EBPβ、CHOP 和HIF-1α 途徑刺激免疫抑制MDSC 功能。Noman 等[40]研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α 可以使PD-L1 表達增加，阻斷缺氧下的PD-L1 途徑可增強MDSC 介導的T 細胞活化，并伴有MDSC 中IL-6 和IL-10 的降低。低氧/HIF-1α 信號可通過增強MDXC 中免疫抑制因子的表達來誘導免疫抑制。

基于以上分析我們不難看出，以AMPK 為核心的代謝途徑不僅參與NF-κB、HIF-1α 調(diào)控，還影響其對MDSC 相關免疫抑制細胞的調(diào)控。因此，系統(tǒng)探明以AMPK/NF-κB/HIF-1α 代謝相關信號途徑如何調(diào)控影響MDSC 免疫抑制微環(huán)境進而影響腸炎癌變具有重要意義。

5 小結

從IBD 最初的接觸免疫到CAC 涉及的免疫與基質(zhì)細胞的募集形成免疫抑制性腫瘤微環(huán)境，免疫反應參與了慢性腸炎癌變的全過程。而MDSC 在IBD 浸潤后通過抑制T 細胞介導的免疫反應、阻止自然殺傷細胞激活、限制DC 成熟、調(diào)節(jié)性T 細胞生成等方式形成免疫抑制，使得腫瘤細胞逃避免疫監(jiān)視，促進CAC 形成。炎性環(huán)境下，缺氧狀態(tài)及異常的線粒體代謝激活AMPK 能量代謝相關通路，并通過NF-κB等途徑參與免疫調(diào)控，同時炎性代謝產(chǎn)生的低氧微環(huán)境刺激HIF 表達，共同影響調(diào)控CAC 中MDSC 形成免疫抑制微環(huán)境。

通過以上分析，不難看出MDSC 的調(diào)控主要與炎性微環(huán)境募集有關，同時，炎性微環(huán)境中存在能量代謝異常，而激活AMPK 能量代謝相關通路，可以顯著抑制MDSC 的功能[41]，這也提示MDSC 與能量代謝關聯(lián)，這些對于慢性腸炎癌變來說都是關鍵效應機制，而靶向MDSC 調(diào)控可以顯著減緩慢性腸炎癌變進程。

考慮到MDSC 對癌細胞的作用，靶向粒細胞巨噬細胞集落刺激因子或使用合適的抑制劑阻斷MDSC生成和/或招募可能是新的臨床CAC 治療方案。