恶性肿瘤相关细胞因子的研究进展

张凯新 王宁杰 和瑞欣 张敏 何佳桐 韩凯勋 李伟明

近年,免疫学研究中的核心组成部分之一是免疫因子的研究。巨噬细胞、淋巴细胞产生并介导免疫反应的因子,统称为淋巴因子。淋巴因子的功能不仅是传递细胞免疫的信息,而且有分泌淋巴样活性分子的细胞也不仅仅是淋巴细胞。所以把具有介导免疫反应功能的由淋巴、巨噬等细胞分泌的活性因子称为淋巴因子,又统称为细胞因子。王凤华等[1]研究发现细胞因子对诊断肺癌高危患者的敏感度较高,具有较理想的诊断价值。提示高危肺癌患者血清内炎性因子的表达量增加明显,需引起临床重视。肿瘤局部免疫微环境与肿瘤的发生、发展存在着紧密关系,机体免疫力的降低与肿瘤的发生发展存在着正向相关的关系。肖辉辉[2]研究发现,肿瘤的发生、发展与肿瘤局部免疫微环境息息相关,与患者免疫力降低也有很大的关系。而免疫功能的改变会对应改变血清细胞因子的表达。可见细胞因子作为炎性与肿瘤之间的重要调解员,在自身免疫、炎性反应与癌症之间具有很强的效果[3]。

1 细胞因子的研究现状

细胞因子及其受体作为肿瘤靶点或治疗策略已被广泛研究,随着对细胞因子家族、抗肿瘤免疫、肿瘤微环境和癌症进化研究的不断深入,尤其是新兴免疫疗法的出现,为利用细胞因子治疗癌症提供了新的策略,比如利用细胞因子增强其他疗法的活性或减轻免疫相关毒性。

细胞因子是由非免疫细胞-血管内皮细胞和成纤维细胞等和免疫细胞-巨噬细胞、NK细胞、B细胞、单核细胞、T细胞等经过刺激从而形成、分泌的具有较强生命活性的低分子可溶性糖蛋白。细胞因子通过与其相应受体结合调控着免疫应答,组织发育、修复,细胞的生长、分化等多种的生命过程,具有调节适应性免疫及固有免疫的作用。其可分为白细胞介素(IL)、肿瘤坏死因子(TNF)、干扰素(IFN)和IL通过自分泌、内分泌和旁分泌共3 种方式产生效果。之后又陆续的发现了趋化因子(CTX)、集落刺激因子(CSF)、生长因子(GF)等[4]。

英国和瑞士研究人员进行鸡胚绒毛尿囊膜研究流感干扰现象这个实验时,偶然发现病毒感染的细胞分泌了一类因子,是一种蛋白质,并具有很强的生物活性,还反过来作用于其他细胞,干扰病毒DNA、RNA的复制,是病毒进入宿主后诱导宿主细胞产生的东西,并将其命名为干扰素(IFN)[5]。首先被发现、被研究彻底、被投入基因工程的细胞因子也是IFN,在RNA合成和蛋白质合成环节发挥作用,其活性受基因的调节控制,并在细胞上具有普遍的抗病毒、抗肿瘤功能[5]。之后就小范围的应用到临床中去,在临床应用过程中朱玉苗等[6]研究发现,维持治疗的SCLC患者联合IL一起治疗,情况趋于平稳、改善,总生存期(OS)变长,证明IFN对SCLC有着重要效果。临床实验发现IFN确实有不错的抗肿瘤的功能。

在20世纪70年代时,在被细菌感染后的小鼠血清中发现了1种既可以让身体内肿瘤细胞、组织坏死出血,又可以抑制并杀伤体外培养的细胞的物质,并将其命名为TNF,别名恶病质因子[7]。并根据其细胞来源的不同将其分为,TNF-α和TNF-β。第一类是由活化的单核-巨噬细胞产生的TNF-α,又称恶液素;吴增波等[8]研究发现口腔癌组织中TNF-α检验值与口腔癌患者的肿瘤直径、分化程度、肿瘤分期、淋巴结转移等有关,说明TNF-α在口腔鳞癌组织中呈高表达,其体内含量与患者病情严重程度正向相关。第二类是由活化的淋巴细胞产生的TNF-β,又名淋巴毒素[9]。TNF-β激活TNF-β信号通路,诱导癌细胞增殖、侵袭。TNF-β 上调转移相关基因的表达,促进上皮-间质转化,刺激自身表达。从此对它的研究进入了一个新的时期,细胞因子的研究在20世纪70～80年代十分活跃。

1979年有学者在研究了已发现的许多细胞因子后将能在白细胞之间发生作用的因子统一命名为IL。之后在1979年第二届国际淋巴因子讨论会上,又将其根据其理化特点分为两类,分别为IL-1和IL-2[10]。有研究报道在ConA激活的鼠类脾细胞培养上清液发现一种新的淋巴因子,称为IL-3,后逐渐又发现,IL-4、IL-5、IL-6等,现逐渐增至为IL-38[8]。IL发展十分迅速,在肿瘤临床中也有很强的功效。

后又陆续发现了CTX类、CSF、生长因子等。趋化因子是一类细胞分泌产生的小细胞因子,因为其可以导致反应细胞定向移动的能力而得名。自首个CTX CCL2(MCP-1)被发现以来,CTX和在体内的功能及其受体的结构、功能都成为各位学家研究的焦点[11]。CSF是一类作用很厉害的骨髓造血细胞增殖因子,能够促进造血细胞在体外培养、促进粒细胞-巨噬细胞系克隆,也是骨髓中髓系造血细胞生长、生存,不可缺少的物质,故又名髓系细胞造血因子。CSF是一类能参与造血调节过程的糖蛋白分子,又称造血刺激因子或造血调节分子。20世纪70年代,首次在造血细胞培养中发现有一种促进造血的东西参与到骨髓细胞增殖分化为粒-巨噬细胞集落中去,将其命名为CSF。根据功能、作用机制的不同分为巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)、粒细胞集落刺激因子(G-CSF)、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)、多能集落刺激因子即IL-3,其他还包括有类似活性的促红细胞生成素(EPO)[12]。自20世纪60年代建立半固体造血祖细胞集落形成技术以来,这一领域的研究十分活跃。最近几年分子生物学和生物技术的进展。使临床研究成为可能。CSF可以有效地缓解化疗后血小板减少,粒细胞减少,缓解骨髓抑制。自从1950年神经生长因子(NGF)和表皮生长因子(EGF)被发现后,之后又陆续发现了纤维母细胞生长因子(FGF),血小板衍生生长因子(PDGF)等很多的生长因子。但是在20世纪70年代后,各种各样的生长因子的结构才逐渐明白[13]。科学家的研究也才转到分子生物学研究上,因过去的生长因子著作较少,但是不少生长因子已用于临床治疗各种疾病。在肿瘤的产生、发展、转移阶段,大量炎性细胞因子存在于肿瘤微环境中,起着各不相同的作用,有些促进肿瘤的生长、侵袭和转移;有些可以抑制、杀伤肿瘤细胞。更多的研究表明,肿瘤与肿瘤炎症微环境的相互作用是动态且双向的[14]。

2 各类细胞因子的结构、功能

细胞因子是肿瘤微环境中信号传递的关键蛋白,具有多效性。慢性炎症是致癌的驱动因素之一,癌细胞中的IL信号转导与肿瘤生长、转移扩散机制有关。随着抗细胞因子治疗,尤其是靶向TNF、IL-6和IL-1的抗细胞因子治疗在一些炎症和自身免疫性疾病中的广泛应用,为其用于癌症治疗提供了依据。

2.1 IFN类 IFN是首次投入基因工程、首次作为一种抗病毒分子被引入应用的药物,投入市场后其治疗的适应症也逐步扩大、扩宽。作为机体免疫调节的物质。IFN一直备受关注,其基础原理与临床试验研究获得了比较显著的进步。它是一种多功能细胞因子家族成员之一,是一类高活性多功能的糖蛋白。能够影响细胞的代谢、生长和分化,也能够通过调控肿瘤细胞增殖、抑制肿瘤转移及血管新生、激活抗肿瘤免疫反应发挥强大的抗肿瘤作用。近50年来的基础原理与临床实验研究发现其是一种广谱的抗肿瘤、抗病毒药物[15]。IFN能够刺激抗肿瘤免疫反应、抑制肿瘤血管新生和转移、调节控制肿瘤细胞增殖来发挥抗肿瘤作用[16]。依据IFN的来源、基因排序和氨基酸组成分类不同将其分为3种类型,依次为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型IL。每一型与肿瘤免疫的关系都非常密切,属于抗肿瘤的辅助药物。Ⅰ型IFN包括IFN-α与IFN-β等;Ⅱ型包括Ⅱ型IFN即IFN-γ等;IFNγ作用于肿瘤发生发展的全过程,其在抗肿瘤方面的作用主要为免疫机制和非免疫机制。IFNγ可以直接抑制肿瘤细胞增殖促凋亡、抑制肿瘤血管生成,协同固有免疫和适应性免疫的NK、NKT细胞、γδT细胞以及CD4+/CD8+T细胞等完成肿瘤杀伤。然而也有报道IFNγ的促肿瘤作用,主要表现为在长期慢性炎症和肿瘤微环境中重塑免疫微环境促进免疫逃逸。Ⅲ干扰素包括IFN-λ。目前研究较多、并用于临床治疗的有IFNα、β、γ根据其药理作用分为抗病毒、抗肿瘤、免疫调节、抑制血管生成作用。IFN可与细胞表面受体结合,经由刺激基因表达,诱导癌细胞凋亡。IFN抗肿瘤的作用机制是癌细胞表面的主要组织相容性复合体分子(MHC)的表达可以被IFN诱导,提高免疫系统对他的识别能力,抑制肿瘤无限制的生长[17]。IFN不仅可以加强机体免疫系统识别、杀伤肿瘤细胞,IFN还能够调节免疫细胞功能,并可以加强机体的细胞免疫功能,增强T、B淋巴细胞功能,增强巨噬细胞的杀伤能力,并激活NK细胞,使其杀伤肿瘤细胞。还可以调节机体的体液免疫功能,加速机体抗体产生速度,增高抗体滴度,辅助杀伤肿瘤细胞,从而抑达到制肿瘤细胞的功能。

2.2 IL类 IL大多由多种多样的免疫细胞分泌而来,是一种糖蛋白。并在全身多种细胞中起作用,参加调控着免疫细胞的增殖、活化、分泌等,在介导炎性反应过程中起着重要的效果[18]。IL因其形成与作用均在白细胞内,故名IL是常见的炎性细胞因子,可通过旁分泌及自分泌的方式对肿瘤细胞的转移、浸润、生长及血管生成等多种生物学进程产生驱动作用。IL可分为几大家族,分别为IL-1家族、IL-2家族、趋化因子家族、IL-17家族、IL-6家族、IL-10家族、IL-12家族等。至今共有38种IL被发现。IL-1家族由11个成员组成,主要成员有IL-1α、IL-1β、IL-1受体拮抗剂、IL-18等,绝大数是促炎因子。IL-1家族是一组重要的细胞因子,在机体免疫应答、炎性反应(包括感染及非感染性损伤)起着关键调控作用。IL-2家族,主要成员有IL-2、IL-4等。IL-2于1976年首次被发现,因其能促进和维持T细胞的体外生长,最初被命名为T细胞生长因子,1979年正式更名为IL-2。其抗肿瘤效应明显。肿瘤与IL息息相关。临床应用中吴育罗等[19]发现IL-2单用抗肿瘤效果较为明显,联合IL-21使用抗肿瘤疗效更加显著。联合使用更加可以发挥自然杀伤细胞对肿瘤的侵袭及生长的限制、发挥特异性的抗肿瘤效应。李哲宏等[20]研究发现IL-4可诱导巨噬细胞的M2型极化增加肿瘤细胞的迁移和侵袭能力,促进癌细胞生长。IL-11是身体内一类细胞因子,可具有多种作用。其主要作用于干细胞,可缩短细胞周期,也可直接或协同血小板生成素、IL-3促进巨核细胞祖细胞与造血干细胞的生长分化,加速血小板和巨噬细胞生成。可以缓解改善肿瘤化疗后导致的血小板减少,降低临床死亡率[21]。IL是普遍常见的一类炎性细胞因子,可经过旁分泌和自分泌的方法对肿瘤细胞的转移、浸润、血管生成和生长等多种生物学进程起着重要的效果[22]。

2.3 TNF类 TNF主要是由活化的巨噬细胞或者单核细胞产生,通过同源三聚体结构发挥杀伤和抑制肿瘤细胞的功能。TNF-α可通过内源性TNF-α与组织间质的作用参与肿瘤的生长,但TNF-α对肿瘤细胞的作用可不是单一的,既可以诱导肿瘤细胞凋亡、抑制肿瘤增殖,又可以促使肿瘤细胞增殖分化[23]。TNF-α属于促炎因子,多种细胞(T淋巴细胞、巨噬细胞等)受外因刺激产生TNF-α,其能调节IL和血管内皮细胞的生长,促进T细胞产生多种炎性因子,从而导致炎症加重。TNF-α的存在也对机体有利,具有抗感染、抗肿瘤的作用。TNF-β位于6号染色体短臂 2 区 1带,其是一类细胞毒性蛋白,主要由活化的T细胞产生,是细胞免疫的重要因子,能够抑制肿瘤生长和破坏癌细胞[24],其抗肿瘤能力优于TNF-α。

2.4 趋化因子(CTX)类 由70～125个氨基酸组成,具有4个保守的半胱氨酸,具有相同的二聚体结构。主要成员有CXC、CC、XC、CX3C 4个家族[25]。CTX受体介导其功能,某些趋化因子受体及CTX也都发挥重要作用,可以促使恶性肿瘤细胞的存活、增殖、新血管生成和转移等[26]。CTX也参与多种生物过程,包括趋化细胞迁移、免疫细胞脱颗粒、造血和血管生成,在人体免疫系统中发挥重要作用。

2.5 CSF类 根据CSF的功能不同可将CSF分为M-CSF、G-CSF、GM-CSF、多能CSF也就是IL-3,另外还有类似活性的EPO等[12]。GM-CSF、G-CSF都可用于治疗粒细胞减少,尤其是接受化疗药物治疗后造成骨髓抑制的肿瘤患者,促进白细胞的增长,其疗效已在临床得到验证,还能够加强巨噬细胞对抗原的处理和提升,当做作机体对抗自身免疫疾病和恶性肿瘤时的多效炎症调节剂[27],能够有效的降低临床死亡率,延长患者的生命周期。M-CSF既在正常身体状态下发挥作用,又在许多恶性肿瘤的发生、发展过程中有着很重要的功能,既可以促进肿瘤生长、侵袭和转移。又可以抑制肿瘤细胞的生长[28];IL-3是在ConA刺激的淋巴细胞培养液上清液中获得并命名的,其是糖蛋白生长因子的家庭成员,称为造血细胞因子,这些因子调节造血祖细胞的分化过程。在接受化疗治疗后出现骨髓抑制的肿瘤患者中起着重要的作用[29]。

2.6 GF GF是调节控制其他细胞功能与细胞生长等多种功能的蛋白质类物质。GF由很多种类细胞分泌产生、并作用于特定的靶细胞,调节组织分化、细胞分裂与基质合成。经过长时间的研究可分类VEGF、EGF、NGF、FGF、PDGF、IGF、造血细胞中生长因子类、白介素生长因子类等[13]。PDGF蛋白家族具有调节细胞增殖、迁移和生存的能力。其也能够促进淋巴管生长,加速肿瘤淋巴结转移[30]。当然,肿瘤细胞的生长和转移离不开新生血管的形成,VEGF作为最常见的血管生长因子,在多种肿瘤细胞的血管内皮细胞增殖和血管形成方面发挥着重要作用,VEGF已成为近年学界较为关注的新型肿瘤标志物[31]。赵春华等[32]发现IGF作为重要的标记物,在重症肺炎及恶性肿瘤的发生发展中均具有显著调节作用。肿瘤组织成纤维细胞分泌产生的HGF,属上皮细胞形态发生分裂、运动的促进因子,与肿瘤细胞远处转移、侵袭也密切相关[33]。NGF是首先被发现的一类神经营养因子,具有营养神经和促使突起生长的两种生物学功能。FGF生成血管、胚胎发育、伤口愈合及多种组织和细胞的分化与增值中有着很重要的作用。IL生长因子也称为造血细胞因子,这些因子调节造血祖细胞的分化过程。IL-11可极大地改善肿瘤化疗引起的血小板减少,促使外周血内血小板含量增加,从而降低临床死亡率[34]、延长生活周期、提高患者的生命质量。

3 细胞因子与肿瘤的联系

近年来,随着生物技术的发展,人们对病原微生物感染机体后产生天然免疫反应的信号转导分子机制以及调控机制有了一定深度的了解。但是更加全面的、更加深入的认识病毒或炎性分子或自身基因突变的细胞的调控宿主细胞因子的表达水平,将有助于新的抗病毒感染药物和靶点的发现。

细胞因子与肿瘤密切相关。有些细胞因子促进肿瘤生长,有些抑制肿瘤生长,有些既促进又阻碍癌症细胞生长。

IFN可以调节控制肿瘤转移、血管新生和抑制肿瘤转移、激活抗肿瘤免疫反应起着重要的抗肿瘤作用[5]。IL家族中大部分成员都参与免疫反应。IL-2能促进和维持T细胞的体外生长,其抗肿瘤效应明显[35];TNF都具有杀伤肿瘤细胞、抑制肿瘤细胞的功能;趋化因子类在人体免疫系统中发挥着重要的作用;CSF大都能够促进骨髓增值,在接受化疗药物治疗后的骨髓抑制中发挥着重要的作用。

GF大多都可以促进细胞生长,以致大都可以促使肿瘤生长、转移。只有造血细胞因子、白介素类生长因子可以改善化疗后骨髓抑制导致的血小板减少,提高肿瘤的临床生存率。IL家族很多成员都具有促进肿瘤的功效。某些趋化因子及其受体、M-CSF、PDGF、VEGF、HGF等也有促进肿瘤生长的贡献。IL-6可以既通过调节控制肿瘤细胞增殖、凋亡、侵袭、转移、血管生成等多种信号传导途径促进肿瘤生长,又可以通过肿瘤细胞活性的直接内在作用促进肿瘤生长。在卵巢恶性肿瘤、乳腺恶性肿瘤、胃恶性肿瘤、肝恶性肿瘤等多种恶性肿瘤中,均呈现出较高的表达[36]。IL-8既能激活和趋化粒细胞提高吞噬细胞及淋巴细胞功能,又能参与肿瘤血管的生成,导致肿瘤的侵袭和迁移。乳腺恶性肿瘤中表现出高表达。毛英等[37]发现,在妇科恶性肿瘤卵巢恶性肿瘤、子宫内膜恶性肿瘤、宫颈恶性肿瘤患者中 IL-33 呈高表达,并在乳腺癌和卵巢癌患者中,IL-33 可以促使肿瘤转移和生长。IL-17 能够促使肿瘤血管生成、生长和转移,促进促血管生成因子产生,促进肿瘤的生长。IL-17 可促进胰腺簇状细胞的发展,从而加速胰腺肿瘤发展。肿瘤微环境内募集的中性粒细胞可上调如G-CSF、CXCR2 配体、IL-6、TNF-α、趋化因子-1 (MCP-1)、MMP-9、单核细胞和 VEGF 等各类趋化因子和细胞因子的表达水平,促使肿瘤的发展,并与肿瘤患者长期生存率降低相关[14]。巨噬细胞中的M2亚群被认为是最重要的促肿瘤细胞生长和诱发肿瘤免疫抑制的免疫细胞。肿瘤相关成纤维细胞(CAFs)通过分泌CXCL12、GM-CSF、IL-6促进肿瘤局部的巨噬细胞向M2亚型转化,从而促进肿瘤的生长。巨噬细胞还可能产生PDGF、bFGF、VEGF、胸苷醛糖等因子,促使肿瘤血管的产生,可以为肿瘤的生长提供营养[38]。

TNF、IFN、CSF抗肿瘤的效果良好。TNF-α、IFN-γ、M-CSF既可以抑制肿瘤的生长,也可以促进肿瘤的生长。IFN-γ通过直接抑制肿瘤细胞增殖促使它的凋亡、抑制肿瘤血管生成、从而抑制肿瘤细胞。也有报道,IFN-γ有促进肿瘤生长的作用,表现为其在肿瘤微环境和长期慢性炎症中重塑免疫微环境以促进免疫逃逸[39-41]。TNF-α可以直接作用于血管的内皮细胞,导致血管功能紊乱或内皮细胞的损伤,因此出现血栓形成和血管损伤,肿瘤组织局部血流阻断而发生缺氧坏死、缺血,从而抑制肿瘤细胞、组织的生长[14]。但TNF-α既可以抑制肿瘤细胞,又可以促进肿瘤细胞生长增殖[23]。M-CSF在恶性肿瘤产生、进展过程中发挥着重大的作用,既可以促进肿瘤发展,又可以抑制肿瘤细胞的生长[28]。

综上所述,细胞因子与肿瘤息息相关,各成员对肿瘤的作用既有共通性又有独特性。IL家族中IL-6、IL-8、IL-33、IL-17虽然都有促进肿瘤生长的作用,但是对于每种类型的肿瘤作用各不相同。IL-6、IL-8、IL-33共通之处是都在乳腺恶性肿瘤中高表达。IL-6、IL-8还可在消化道肿瘤中高表达,如肝癌、胃癌;IL-33则在妇科恶性肿瘤肿瘤中高表;IL-17在胰腺恶性肿瘤中高表达;IL-2抗肿瘤效果明显,联合IL-21抗肿瘤效果更加明显。CSF通过促进骨髓增殖抑制肿瘤患者化疗后的不良反应,提高生存率,对肿瘤有正向作用。IFN、TNF抗肿瘤效果明显,IFN-γ、TNF-α、M-CSF既有正向抗肿瘤又有负向促进肿瘤效果。近些年随着大家对免疫细胞因子的临床检测应用,发现细胞因子与肿瘤患者联系十分密切。并且很多具有特异性,对于临床上诊断、治疗恶性肿瘤具有重要的意义。