乳酸对肿瘤微环境中免疫细胞的影响

杨 柳，金 晶，罗 雪

(湖北恩施学院 医学院，湖北 恩施 445000 )

肿瘤细胞内通过有氧糖酵解生成了大量乳酸，越来越多的研究者认识到乳酸能够参与肿瘤的发生发展。在肿瘤细胞中乳酸可作为一种信号因子和基因调节因子影响肿瘤细胞增殖与免疫应答，乳酸对肿瘤微环境(tumor microenvirment,TME)的酸化导致免疫系统抑制，从而使得先天性和适应性免疫细胞功能异常，促进肿瘤的发生发展。本文通过查阅文献，对乳酸在TME中对免疫细胞的影响进行总结阐述。

1 概述

恶性肿瘤发病概率高、致死率强。尽管对恶性肿瘤的治疗进行了大量研究，但是由于具有易转移特性和对现有治疗的耐药性，其仍然是引起死亡的第二大重要原因。随着精准医疗的不断发展，越来越多的研究者认识到乳酸能够参与肿瘤的发生发展，在肿瘤细胞中乳酸可作为一种信号因子和基因调节因子影响肿瘤细胞增殖与免疫应答。与正常细胞产生的乳酸不同，在正常细胞中，乳酸是葡萄糖无氧氧化的终产物，运动过程中也可以产生乳酸，但是正常细胞中的乳酸会重新转变为丙酮酸，或者通过乳酸循环进入肝脏异生为糖而被机体很快代谢掉，而在癌症发生过程中乳酸的产生量是保持不变的，其会不断产生。究其原因是肿瘤细胞中普遍存在有“瓦伯格效应”，其重要的特征就是即使在氧气充足的条件下，癌细胞的能量代谢仍以糖酵解为主，产生大量的乳酸。而乳酸是导致肿瘤微环境免疫抑制的关键因子，它直接和通过其对肿瘤微环境(TME)的酸化在癌症生物学中起着重要作用。

免疫细胞是指参与免疫应答或与免疫应答相关的细胞，它主要分两种类型：先天性免疫细胞和后天获得性免疫细胞。先天性免疫细胞主要包括NK细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、肥大细胞及嗜酸性粒细胞等，在遇到对人体有害的细菌、病毒、病变和癌变的细胞时，就会主动发出攻击并消灭对方。后天获得性免疫细胞包括T细胞、B细胞等，其属于被动反击型，需要被活化，经过采集情报等一系列复杂的过程之后才可以发挥作用，具有特定性与局限性。

2 乳酸对先天性免疫细胞的影响

2.1 对巨噬细胞的影响 巨噬细胞源自单核细胞，根据活化状态和发挥功能的不同，巨噬细胞主要可分为M 1型和M 2型。M 1型巨噬细胞可以通过招募趋化因子(CXCL 10)和激活其他免疫效应细胞来间接靶向癌细胞，参与正向免疫应答,发挥免疫监视的功能。M 2型巨噬细胞被广泛认为具有与M 1型巨噬细胞相反的功能，是促进肿瘤进展的关键，其可以释放各种细胞因子(IL-10、IL-13)和生长因子(TGFβ)促进免疫抑制、癌细胞侵袭/转移(例如EGF、MMP等)和血管生成(如VEGF、TNFα等)。一系列研究表明，癌细胞产生的乳酸在TME中具有诱导巨噬细胞向M 2极化的功能。肿瘤细胞通过活跃的糖酵解代谢产生大量的丙酮酸，丙酮酸进而在乳酸脱氢酶的催化下转变为乳酸。由于肿瘤内乳酸的堆积，导致肿瘤细胞外液呈酸性，形成酸性的肿瘤微环境，诱导巨噬细胞向M 2极化，有利于肿瘤的侵袭和转移。细胞实验中将T细胞与单核巨噬细胞(THP-1)共培养，用乳酸(15 mmol/L)进行处理，结果发现M 2型肿瘤相关巨噬细胞(TAM)分泌的细胞因子、如IFN-γ和IL-10、HIF-1a和PD-L1的表达显著上调(<0.05)，M 1型巨噬细胞分泌的细胞因子、TNF-a和IL-12表达下降(<0.05)。乳酸对巨噬细胞的影响是可逆的，当酸度返回到正常生理水平时，可扭转肿瘤相关巨噬细胞向M 2型极化。随着纳米技术的不断发展，越来越多的纳米材料被报道可通过调节肿瘤微环境进而实现肿瘤治疗。研究人员采用两种方法对弱酸性的TME进行破坏：利用无机纳米材料直接消耗微环境中的 H+；通过调节基因的表达，减少乳酸的产生，切断H+的来源。总之，纳米材料可利用自身消耗 H+或者作为基因载体调节乳酸含量而改变TME的pH值，进而帮助抑制肿瘤生长。

2.2 对NK细胞的影响 自然杀伤细胞(natural killer cell，NK)是机体重要的免疫细胞，具有良好的抗肿瘤作用。NK细胞在识别出病变细胞后，可以通过以下两种机制来保护宿主，一是通过产生穿孔素、颗粒酶、细胞因子调节免疫反应，如NK细胞可分泌促炎细胞因子IFN-γ、肿瘤坏死因子TNF和趋化因子CCL 3-5,它们刺激巨噬细胞吞噬和溶解，上调MHC I类在抗原呈递细胞上的表达，招募额外的免疫效应复合物，促进细胞毒性。二是直接杀伤靶细胞。乳酸诱导的TME细胞外酸中毒可抑制NK细胞的抗肿瘤活性，对黑色素瘤小鼠模型的研究表明，将TME pH降低到5.8～7.0，降低了裂孔颗粒含量，如穿孔素和颗粒酶的释放。 它还降低了IFN-γ和TNF-α的分泌，从而降低了对肿瘤细胞的细胞毒性反应。

2.3 对中性粒细胞的影响 中性粒细胞在原发肿瘤免疫细胞浸润中占据相当大的比例。 Meta分析表明，高密度的瘤内中性粒细胞与不良生存独立相关，而瘤周中性粒细胞和基质中性粒细胞则不是。肿瘤相关中性粒细胞(TANs)积极参与肿瘤进展的各个步骤，并已被报道具有抗肿瘤和促肿瘤两种截然不同的作用。一方面TANs通过直接的细胞毒性抑制肿瘤的进展和转移，但是另外一方面其还可以通过促进血管生成、促进肿瘤迁移和侵袭，发挥免疫抑制。与肿瘤相关巨噬细胞(TANs)一样，对肿瘤有不同作用的TANs可分为N 1型和N 2型，N1型中性粒细胞被认为具有杀死肿瘤细胞的潜力，其机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体依赖性细胞毒性。 N 2型的特点是具有较高的精氨酸酶和促肿瘤因子(如CCL 2、CCL 5、组织蛋白酶G、中性粒细胞弹性蛋白酶)的表达，从而诱导TME的免疫抑制。有研究证据表明癌细胞分泌产生的乳酸引起的细胞外酸中毒是调节中性粒细胞凋亡和功能的关键因子，一方面乳酸分泌增加导致中性粒细胞凋亡延迟，诱导中性粒细胞向N 2型分化。另外调控细胞凋亡的关键因子caspase3在酸性的TME影响下，其激活也会减少。酸性TME中的TANs表达高水平的β2整合素和CD b/CD 18，它们通过T细胞抑制、血管生成因子的产生和蛋白酶的分泌等多种机制促进肿瘤的生长和转移。

2.4 对树突状细胞(dendritic cell，DC)的影响 DC在启动特异性抗肿瘤T细胞应答中发挥至关重要的作用。DC活化相关的信号转导通路主要包括丝裂原活化蛋白激酶 p38(p38 MAPK)、细胞外信号调节激酶(ERK)等。ERK 信号通路的活化主要影响DC的存活和增殖，而p38 MAPK、JNK和NF-κB途径的活化主要促进DC的活化，包括上调表面共刺激因子CD80、CD86和MHCⅡ类分子的表达，及促进炎性细胞因子的合成和释放。李成银等在研究中发现乳酸可通过抑制DC 的p38 MAPK和NF-κB信号通路的活化来实现对其功能的调控，还可以通过抑制DC细胞共刺激因子CD 80、CD 86和MHC Ⅱ的表达，并下调 TNF-α和IL-12的表达，从而抑制DC对T细胞活化增殖的促进作用。乳酸对DC细胞的影响也是可逆的，当用NaOH中和乳酸，使其达到pH 7.4，结果显示乳酸对DC活化的抑制作用消失了。

2.5 对髓样来源抑制性细胞(MDSCs)的影响 MDSCs是骨髓来源的一群异质性细胞，被认为具有显著的阻止先天和适应性免疫的能力。近期的研究表明，MDSCs在摆脱休眠、促进肿瘤细胞隐性转移方面也起到了重要作用。在酸性TME中，MDSC活性通过乳酸诱导的HIF1α途径增加，导致程序性死亡配体1(PD-L1)表达增加，髓系细胞死亡。 此外，MDSCs可以通过增加血管生成和增强肿瘤细胞干细胞来启动转移前生态位的形成。

3 乳酸及酸性的TME对适应性免疫细胞的影响

3.1 对细胞毒性T淋巴细胞(CTL)的影响 CTL发挥免疫作用的机制在于其在杀伤靶细胞的过程中可产生多种细胞毒介质，这些介质包括：穿孔素、丝氨酸酯醇、干扰素和肿瘤坏死因子等，从而促使靶细胞溶解和死亡。然而由癌细胞产生的乳酸所引起的酸性TME对CTL有多种损害作用，包括趋化和呼吸活动受损，其潜在的机制是乳酸减少CTL在TME中的招募，捕获已经存在的T细胞，通过损害趋化性，进一步抑制TME中浸润CTL的功能。在病理TMEpH为6.0～6.5的荷瘤小鼠中，CTL细胞溶解活性和细胞因子分泌显著降低。乳酸通过SMCT2转运体内化后，CD4辅助T细胞和CTL要么抑制磷酸果糖激酶，要么下调己糖激酶-1活性，从而抑制糖酵解，降低细胞运动。 因此，T细胞失去了对趋化因子的反应性，不再在全身迁移。

3.2 对调节性T细胞(regulatory T cell，Tregs)的影响 Tregs在癌症免疫中，通过抑制抗肿瘤免疫来支持肿瘤的发展和进展。与其他免疫细胞不同，Tregs在酸性TME中的活性和募集增加。 体外模拟酸性的肿瘤微环境，将细胞培养基调至 pH 6.7，培养72 h后检测Treg细胞的增殖变化，结果发现，较之pH 7.4的对照组，Treg细胞在酸性培养条件下增殖明显，凋亡(早期凋亡+晚期凋亡)减少。酸性条件下，Treg细胞的氧化磷酸化(OXPHOS)相关基因pgc1a、cox5b表达显著上调，OXPHOS是 Treg 维 持 功 能 的 主 要 代 谢 方 式，OXPHOS途径的活化使Treg能够适应缺血、缺氧、酸性的肿瘤微环境并发挥免疫抑制功能，且酸性环境下，Treg细胞中Foxp 3表达显著增多。Foxp 3是控制Treg细胞发育和功能的主要调节因子，实验表明，在体内或体外诱导初始T细胞表达Foxp 3后可以出现Treg样的免疫抑制作用。

4 总结与展望

肿瘤细胞的发生发展离不开自身所处的肿瘤微环境，而这种微环境内的免疫细胞及其调节方式对肿瘤的发展起着至关重要的作用。在肿瘤生长的早期，由肿瘤细胞募集和激活的免疫细胞可形成抑瘤的炎性微环境，阻碍肿瘤的发展。但是随着肿瘤细胞的不断增殖和持续免疫激活反应，TME发生动态变化：免疫效应细胞出现耗竭或重塑从而无法发挥正常功能。导致上述变化的重要原因是Warburg效应是肿瘤细胞的重要代谢特征，而这一代谢过程会产生大量“代谢废物”乳酸，它直接和通过其对TME的酸化发挥免疫抑制的作用,促进癌细胞增殖转移。此外，酸性环境对正常细胞也是有毒的，它能够促进蛋白酶对ECM 的降解，通过释放血管内皮生长因子(VEGF) 增加血管生成，抑制肿瘤免疫抗原反应等。目前乳酸在肿瘤发生发展过程中发挥的作用越来越被重视，被认为是肿瘤治疗中一个极具有希望的新靶点。