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乳酸调控肿瘤微环境PD-1/PD-L1信号轴的研究进展

2023-07-10 86 上传者：管理员

摘要：肿瘤细胞Warburg效应消耗大量葡萄糖并产生过量乳酸。由于肿瘤特殊脉管结构，易形成局部乳酸堆积，肿瘤微环境高浓度乳酸不仅直接抑制免疫细胞功能，还可作为信号分子募集免疫抑制相关细胞，调节免疫检查点信号轴，进而促进肿瘤发展。本综述将重点关注乳酸对肿瘤细胞及肿瘤相关基质细胞PD-1/PD-L1信号轴的调控作用及机制。同时，我们也关注到乳酸产生关键酶乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase, LDH)在程序性死亡受体1(programmed death 1,PD-1)/程序性死亡受体-配体1(programmed cell death-ligand 1,PD-L1)免疫检查点阻断治疗中的应用，这可能使靶向LDH成为提高PD-1/PD-L1检查点阻断治疗疗效的新思路。

关键词：
乳酸;
免疫检查点阻断
肿瘤微环境
肿瘤相关中性粒细胞
肿瘤相关巨噬细胞
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近年来，免疫检查点阻断治疗因其在特定类型肿瘤患者中获得了良好且持久的疗效等优点，为癌症治疗提供了的新的思路[1]。其中，针对程序性死亡受体1(programmed death 1,PD-1)/程序性死亡受体-配体1(programmed cell death-ligand 1,PD-L1)轴的抗体现在已被批准应用于黑色素瘤、非小细胞肺癌及胃癌等多种进展期肿瘤治疗方案中[2,3,4]。然而，近期临床试验表明，尽管PD-1/PD-L1免疫检查点阻断剂在一定程度上改善了癌症患者的预后，但只有少部分患者获得了持久的疗效[5],这与肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME)的免疫抑制作用密不可分[6,7]。

代谢异常是TME重要特征之一，肿瘤细胞更倾向于通过Warburg效应快速获取能量以满足快速增殖和减低氧化应激压力[8],同时产生过量乳酸盐，促进免疫抑制环境的建立[9]。TME中的乳酸不仅诱导细胞酸中毒，而且在细胞群之间穿梭，包括肿瘤细胞、肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages, TAMs)、肿瘤浸润淋巴细胞(tumor-infiltrating lymphocytes, TILs)和肿瘤相关基质细胞等。同样，免疫细胞会根据不同的激活状态表现出完全不同的代谢模式，这对其增殖、分化和执行效应器功能至关重要[10]。这种能量需求矛盾导致肿瘤细胞与免疫细胞形成代谢竞赛(metabolic competition),限制了营养的可利用性，从而阻碍了免疫细胞发挥效应功能，进而促进肿瘤进展[11,12]。

乳酸亦可作为信号分子在肿瘤进展、转移及耐药中发挥重要作用。乳酸通过上调并稳定缺氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)的表达调节肿瘤的血管生成，同时也促进肿瘤的化疗耐药活性[13,14]。更为重要的是，乳酸影响多种免疫细胞的代谢及细胞因子的释放，抑制CD8+T细胞、自然杀伤细胞(natural killer, NK)和树突状细胞(dendritic cell, DC)的激活、增殖和发挥效应功能[15,16]。

在这篇综述中，我们分别从基础实验及临床研究两个角度，分别阐述了乳酸对于TME中PD-1/PD-L1信号轴的调控及乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase, LDH)对于免疫治疗的影响(图1)。

图1乳酸对于TME中PD-1/PD-L1的调控

1、乳酸作为TME中PD- 1/PD-L1信号轴的重要调控因子

1.1乳酸与肿瘤相关巨噬细胞

高乳酸对于维持TAMs的促肿瘤活性至关重要。乳酸通过ERK-STAT3信号通路[17]或形成乳酸-G蛋白偶联受体132(G-protein-coupled receptor 132,GPR132)[18]的正反馈信号诱导TAMs向M2样表型极化。M2型巨噬细胞通过HIF-1α介导的信号途径，增加PD-L1+TAMs比例，从而增强肿瘤免疫逃逸能力[19]。在非小细胞肺癌中，乳酸脱氢酶A(lactate dehydrogenase-A,LDH-A)水平与PD-L1+TAMs、PD-1+TAMs数量呈正比[20]。除了直接释放乳酸，肿瘤细胞还可通过旁分泌细胞外囊泡的形式驯化预转移灶中巨噬细胞，促进巨噬细胞发生糖代谢重编程，使得由糖酵解产生的乳酸通过核转录因子κB(nuclear transcription factor-κB,NF-κB)途径上调巨噬细胞自身PD-L1表达，为非小细胞肺癌的转移和定植创造条件[21]。上述研究表明，乳酸不仅在TME中直接参与到TAMs抗肿瘤免疫调控，也可作为重要信号分子在预转移灶中调节免疫抑制细胞分化表型，导致肿瘤免疫的平衡倾向于促进肿瘤进展的一端。

1.2乳酸与肿瘤相关中性粒细胞

TME中高水平炎症趋化因子招募中性粒细胞向肿瘤局部募集并驯化形成肿瘤相关中性粒细胞(tumor associated neutrophils, TANs)。TANs可以有效地抑制T细胞发挥抗肿瘤免疫效应，使用抗体阻断PD-L1则有效逆转了这种抑制效应[22],这表明TANs可能通过PD-L1信号轴发挥免疫抑制作用。从作用机制上分析，肿瘤来源的高浓度乳酸激活MCT1/NF-κB/COX-2通路可诱导TANs高表达PD-L1;与此同时，乳酸引起的TME中H+浓度增加延长了PD-L1+TANs寿命，使其延长了对T细胞功能的抑制时间[23]。对胰腺癌患者中TILs的单细胞测序结果显示，中性粒细胞样分化的HL-60细胞(dHL-60)过表达糖酵解关键酶LDH-A,葡萄糖摄取及乳酸产生的增加证实LDH-A活性同步上调。LDH-A过表达的dHL-60细胞在体外共培养体系中，能够直接促进胰腺癌细胞增殖，降低CD8+细胞干扰素-γ(interferon-γ,IFN-γ)和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factorα,TNFα)的表达，进一步增强TANs的免疫抑制及促肿瘤作用[24]。然而使用急性早幼粒细胞白血病细胞HL-60并不能全面表征TANs对抗肿瘤免疫效应的抑制作用，毕竟肿瘤细胞和TANs在代谢方面差异较大。

1.3乳酸与调节性T细胞

调节性T细胞(regulatory T cells, Treg)作为免疫调控T细胞亚群之一，在维持自身耐受方面起着必不可少的作用[25,26]。最新研究关注到TME中Treg细胞代谢特征的变化，发现其免疫抑制能力与肿瘤细胞的高度糖酵解水平相关。然而，TME中存在的Treg细胞效应功能并没有受到抑制，反而增殖活跃，这提示Treg细胞可能不依赖于葡萄糖的代谢方式支持其增殖存活。通过胞内pH指示染料和13C追踪，发现Treg细胞可代谢乳酸支持自身增殖和抑制功能。特异性敲除Treg细胞上单羧酸转运蛋白1(monocarboxylate transporter 1,MCT1),能够显著提高抗PD-1阻断治疗疗效，提示Treg细胞在TME中的免疫抑制功能发挥可能与其乳酸的摄取能力密切相关。Treg细胞通过MCT1摄取乳酸，促进活化T细胞核因子1(nuclear factor of activated T cell 1,NFAT1)的核转位，进而增强自身PD-1的表达[27]。这种肿瘤细胞来源乳酸作为Treg细胞重要能量物质的共生关系，可能解释了为什么使用抗PD-1抗体阻断治疗会导致PD-1+Treg激活，导致免疫治疗失败[28]。MCT1直接靶向乳酸代谢或抑制肿瘤酸性可能会打破这种代谢共生关系，削弱Treg细胞对肿瘤免疫的屏障。

1.4乳酸与肿瘤细胞

乳酸可调节肿瘤自身PD-L1表达及表观遗传学修饰。肿瘤细胞高表达单羧酸转运蛋白4(monocarboxylate transporter 4,MCT4)可通过经典Wnt途径上调PD-L1表达，并促进PD-L1发生糖基化修饰[29]。而作为L-乳酸的受体，G蛋白偶联受体81(G-protein-coupled receptor 81,GPR81)则通过G蛋白转导细胞外乳酸信号，进而影响肿瘤细胞的生长、免疫调节及耐药[13]。进一步研究发现，乳酸可以通过GPR81的激活降低细胞内cAMP水平，并抑制蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)的活性，从而使下游的转录激活因子活性增加，激活了PD-L1启动子并诱导其表达[30]。乳酸/GPR81除了通过自分泌机制影响肿瘤细胞的PD-L1水平外，还能以旁分泌的方式影响DC细胞的抗原呈递功能，进而影响肿瘤的免疫逃逸[31]。目前大部分研究主要关注乳酸对于免疫细胞功能的影响，对于肿瘤细胞自身的调控研究尚有待进一步填补。

2、LDH与PD-1/PD-L1信号轴阻断治疗

2.1 LDH-A与免疫治疗

乳酸脱氢酶家族中，亚基LDH-A主要负责将丙酮酸转化为乳酸，而LDH-B则具有相反的作用。在肿瘤小鼠模型中已经发现LDH-A的失活导致肿瘤发生和肿瘤进展的减少，证明了LDH-A对小鼠K-RAS诱导的原发乳腺癌具有重要促进作用[32]。敲除巨噬细胞的LDH-A后则发现肿瘤细胞PD-L1表达减少，T细胞的抗肿瘤活性增强[33]。LDH-A缺失的肿瘤对抗PD-1治疗更敏感，流式分析显示Treg细胞的浸润减少，NK细胞和CD8+细胞毒T细胞的数量则相应增加[34]。阻断LDH-A还能通过下调MSH2和Oct4促进错配修复基因缺陷(mismatch-repair-deficient, dMMR)的结直肠癌患者的抗PD-1治疗疗效[35]。这些研究有力地证明了靶向LDH-A作为肿瘤治疗的可能性。虽然目前LDH-A抑制剂由于选择性抑制成功率低等多种原因并不是体内治疗的首选药物，但靶向细胞代谢联合免疫治疗的快速进展可能会催生更好的药物靶向策略出现。

2.2血清LDH与组织LDH

此前我们探讨了乳酸对于TME中PD-1/PD-L1信号轴的影响，但在临床研究中，受限于外周血乳酸水平的实时波动性，研究者们更倾向于采用血清LDH作为研究指标。由于肿瘤生长破坏组织，血清LDH水平在癌症诊断中也具有重要意义。在黑色素瘤、尿路上皮癌、肾细胞癌的临床试验中也观察到患者血清LDH水平与临床抗PD-1治疗有效性呈负相关[36],提示LDH可作为临床抗PD-1治疗疗效预测标志物之一，也有一些多因素的预后指标纳入了血清LDH进行分析。除了血清LDH外，组织LDH也开始被人们所重视。组织LDH表达与血清LDH水平升高有关，但血清水平不能完全反映LDH的组织表达，组织LDH与血清LDH可能是2个相关且一定程度上独立的肿瘤预后指标[37]。由于血清LDH检测的便捷性，目前研究更多的还是关注血清LDH水平改变，但组织LDH更能反应TME的状态，更快捷准确反应组织LDH水平的方法还有待进一步探索。

表1所示为多项研究[38,39,40,41,42,43,44]中不同LDH水平对免疫治疗的意义。

表1 LDH对于免疫治疗的意义

3、小结与展望

肿瘤细胞具有重新编程代谢途径的能力，进而影响着肿瘤自身的生物学形状及TME的免疫调节[6,12,16]。随着研究的不断深入，人们发现细胞代谢产物乳酸及其产生关键酶LDH对免疫细胞的效应功能有抑制作用，调控天然免疫信号，在肿瘤发生及进展中起到了不可忽视的作用，尤其在调控PD-1/PD-L1表达及免疫治疗效果的监测方面。现有的免疫疗法主要通过阻断细胞膜上PD-1/PD-L1的结合来增强效应T细胞的杀伤作用。然而，肿瘤细胞固有PD-L1信号(cancer cell-intrinsic PD-L1 signals)也可以通过不依赖于PD-1/PD-L1结合的方式，在很多方面影响着肿瘤，包括对肿瘤生长和生存途径、干细胞、免疫效应、DNA损伤反应和基因表达调控的控制[45]。乳酸能否影响肿瘤细胞固有PD-L1表达及亚细胞定位，进而影响肿瘤细胞自身生物学功能，目前知之甚少。

近年来，学者发现乳酸作为“能量通货”,不仅在线粒体氧化过程提供能量，还在细胞翻译后修饰过程中扮演重要作用。研究发现外源性乳酸作为组蛋白赖氨酸乳酰化(Kla)驱动因素之一，调控下游基因表达，促进巨噬细胞M1/M2极化。这一发现将细胞代谢与基因调控联系在一起，显示了乳酸化修饰在病理和疾病过程中的重要作用[46]。然而，TME伴随高浓度乳酸堆积，肿瘤或其他基质细胞来源乳酸是否参与抗肿瘤免疫过程中相关基因调控尚不清楚；此外，高血清LDH水平往往预示抗PD-1治疗预后较差，乳酰化修饰是否参与到关键蛋白的调控，靶向抑制乳酰化过程或成为调控免疫治疗疗效的新思路。

肿瘤LDH水平主要取决于糖酵解活性及细胞坏死水平，血清LDH水平目前仅用于非小细胞肺癌及黑色素瘤的免疫治疗疗效指标，且不能完全反应肿瘤状态，其产物乳酸则因代谢较快、无法稳定监测暂未纳入疗效评估标准。如何解决这些问题，也是临床研究努力的方向。总体而言，针对乳酸及其代谢途径正在成为免疫治疗方面有用和有前景的治疗策略。

基金资助:国家自然科学基金面上项目(编号:81972313);

文章来源:葛演,陈志红.乳酸调控肿瘤微环境PD-1/PD-L1信号轴的研究进展[J].现代肿瘤医学,2023,31(15):2944-2948.