崔雯瑄(综述),马 鸣(审校)

(河北医科大学第四医院检验科,河北 石家庄 050011)

肿瘤免疫学是一个新兴的医学领域,为临床肿瘤治疗提供新的思路,不断改善肿瘤患者的预后。随着医学技术的革新和科研模式的创新,临床免疫检查点阻断疗法已在临床上取得了显著的疗效[1]。高迁移率族蛋白B1(high mobility group box 1,HMGB1)和吲哚胺-2,3-双加氧酶(indoleamine-2,3-dioxygenase,IDO)作为肿瘤免疫治疗的潜在靶点,受到广泛关注。HMGB1和IDO在多种肿瘤组织和血清(血浆)中高表达,在促进肿瘤生长、侵袭和转移的同时,介导机体抗肿瘤免疫反应[2-3]。在此,本研究总结HMGB1和IDO作为潜在靶点,在肿瘤免疫逃逸中的主要作用并对HMGB1和IDO之间的相互调控机制进行探索。

1 HMGB1和IDO的结构与功能

HMGB1是高迁移率族蛋白(high mobility group,HMG)家族成员之一,位于13q12染色体上,由214～216个氨基酸构成,相对分子质量约为25 000,因其在凝胶中迁移率高而得名。HMGB1含有2个同源L型结合区域(A盒和B盒)及带负电荷的酸性C末端。A盒和B盒是DNA非特异性结合区,B盒可与甲基化的CpG寡核苷酸形成免疫激活复合物,具有一定的促炎活性;而A盒可抑制B盒的促炎活性;酸性C末端是HMGB1与受体特异性结合的部位[4-5]。HMGB1是一种多功能蛋白。在核内,HMGB1主要调控基因的复制与转录;在胞质中,调节细胞自噬和凋亡;在胞膜上,可诱导细胞迁移;在胞外,激活相关信号转导通路诱导炎症反应和调控机体免疫功能[6]。除此之外,HMGB1也与凝血功能紊乱密切相关,胞外HMGB1通过Toll样受体(Toll-like receptors,TLR)、核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)和降钙素基因相关肽途径激活并聚集血小板,促进炎症反应,导致内皮细胞损伤,进而促进内皮细胞和单核细胞释放组织因子(tissue factor,TF),激活外源性凝血途径[7]。

IDO为单拷贝基因,位于第8号染色体,包括10个外显子和9个内含子,由403个氨基酸组成,相对分子质量约为42 000[8]。IDO可诱导一些炎性细胞因子表达,如白细胞介素6(interleukin-6,IL-6)和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α),参与炎症反应及促进血管生成。IDO还可以直接或间接参与各种疾病的发生发展,包括炎症性疾病、精神性疾病及恶性肿瘤等[8]。除此之外,IDO还是肝外唯一催化色氨酸(tryptophan,Trp)沿犬尿氨酸(kynurenine,Kyn)途径分解代谢的限速酶,Trp的消耗导致体液免疫功能降低,Kyn的积累诱导耐受性免疫反应,利于肿瘤细胞的免疫逃逸,在机体抗肿瘤免疫反应中有重要的作用[9]。

2 HMGB1和IDO在肿瘤组织中的影响

大量研究表明,HMGB1在肺癌[2]、乳腺癌[5]、宫颈癌[10]、食管癌[11]等肿瘤组织中高表达,与肿瘤细胞增殖、迁移、凋亡、自噬及肿瘤组织血管形成密切相关。He等[12]验证了HMGB1通过磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/AKT途径上调低氧诱导因子1α(hypoxia inducible factor 1α,HIF-1α)促进肿瘤细胞生长、上调血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)促进肿瘤组织血管形成、诱导基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)的表达促进肿瘤细胞迁移。同时,HMGB1还可通过上调B淋巴细胞瘤2基因(B-cell lymphoma,Bcl-2)家族成员的表达来抑制肿瘤细胞的凋亡[13]。胞外的HMGB1若与晚期糖基化终产物(receptor for advanced glycation end products,RAGE)、TLR和肿瘤坏死因子受体1(tumor necrosis factor receptor 1,TNFR1)结合,激活NF-κB途径,不仅促进肿瘤细胞增殖和迁移,还可以介导炎症反应[14]。除此之外,Chai等[15]通过超微结构分析,发现HMGB1耗尽后,肿瘤细胞内的自噬体也会减少,说明HMGB1对肿瘤细胞自噬具有一定的调节作用。由此可见,HMGB1高表达在肿瘤的发生发展中起重要作用。

IDO在食管癌[16]、乳腺癌[17]、胃癌[18]、肺癌[19]等肿瘤组织中普遍高表达。IDO与肿瘤组织血管形成密切相关,其机制主要是IDO高表达,激活犬尿氨酸途径,上调Tregs数量,Tregs可分泌血管内皮生长因子A(vascular endothelial growth factor A,VEGFA),使VEGFA水平升高,有利于肿瘤血管的形成[17,20]。除此之外,IDO通过犬尿氨酸途径还可以使IL-6表达上调,进而激活转录激活因子3(signal transduction and activators of transcription 3,STAT3)通路促进VEGF的表达,促进肿瘤血管生成[21]。因此,IDO在肿瘤组织中可促进血管生成,利于肿瘤细胞的生长、侵袭和迁移。

有研究报道,HMGB1和IDO在肿瘤组织中高表达往往与患者临床分期较晚、肿瘤较大、发生淋巴结转移和预后较差密切相关[12,21-22]。因此,HMGB1和IDO可能是肿瘤患者筛查、治疗及预测预后的重要靶点。

3 HMGB1和IDO影响机体免疫功能的主要作用机制

肿瘤形成抑制性肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)是对抗抗肿瘤免疫反应的重要途径。TME成分包括转化的细胞外基质、可溶性因子、免疫抑制细胞、表观遗传修饰和重新编程的成纤维细胞、肿瘤细胞等,抑制性TME有利于肿瘤的免疫逃逸[23]。HMGB1和IDO通过调节免疫细胞的功能,在TME形成过程中发挥重要的作用。

3.1HMGB1影响机体免疫功能的主要作用机制 HMGB1对机体免疫功能具有双重调节作用。HMGB1可作为保护性因子,活化免疫细胞,增强机体免疫功能,发挥抗肿瘤作用;也可与TME中浸润的未成熟树突状细胞表面的TIM-3结合,激发其免疫抑制的潜力,使这些细胞逐渐分化为髓源性抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs),发挥促肿瘤作用[24]。HMGB1对免疫细胞功能的作用可能与其含量、氧化还原状态有关。低含量的HMGB1可活化免疫细胞,而高含量HMGB1则会抑制免疫细胞的功能[25]。凋亡细胞可产生活性氧,氧化HMGB1,减弱其免疫刺激信号,导致免疫耐受[26];受损或坏死细胞释放还原状态的HMGB1,发出组织损伤信号并启动炎症反应[27]。

HMGB1参与抗肿瘤免疫反应在机体肿瘤的发生发展中起着至关重要的作用,主要作用机制有以下两个方面:①低水平HMGB1可激活NF-κB通路诱导树突状细胞(dendritic cells,DCs)成熟,呈递抗原和释放细胞因子,诱导T细胞分化和特异性的细胞毒性T细胞生成,激发免疫应答,利于抗肿瘤免疫治疗[28-29];②高水平的HMGB1可通过TLR4信号通路激活MDSCs,抑制T细胞功能[30];通过TLR-2/4和p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信号通路促进调节性B细胞(B regulatory cells,Bregs)和Tregs的扩增,抑制CD8+T细胞功能[31-32]。HMGB1水平与CD8+T细胞呈明显负相关,降低机体的抗肿瘤免疫应答能力,利于肿瘤的免疫耐受和免疫逃逸。

3.2IDO影响机体免疫功能的主要作用机制 IDO也对机体免疫功能具有双重调节作用,主要与其含量有关,即生理水平的IDO可降解许多微生物生存依赖的必需氨基酸Trp,故学者认为其主要与保护机体免受病原微生物感染的先天免疫机制有关[33],还有学者认为,生理水平IDO具有激活免疫功能的作用,但具体机制还需深入研究[34];而过表达的IDO,则会促进色氨酸沿犬尿氨酸途径代谢,抑制T细胞的活化,从而抑制免疫功能,该作用是诱导肿瘤细胞免疫逃逸的重要机制之一[18,22]。此外,IDO在不同免疫细胞中,也发挥双重调节作用。例如:在DCs和巨噬细胞中,IDO可抑制DCs和巨噬细胞的抗原提呈能力,进而抑制T细胞活化;而在NK细胞中,IDO则可明显提高NK细胞对肿瘤细胞的杀伤效果,促进机体抗肿瘤免疫反应[35]。

IDO主要通过以下三条途径,以直接或间接的方式参与机体抗肿瘤免疫反应:①正常表达于NK细胞的IDO可维持NK细胞的正常活性,增强机体的免疫功能,可能和T细胞、NK细胞表面受体与靶细胞表面配体相互作用产生的信号转导有关[35],具体调节机制有待深入研究;②IDO通过犬尿氨酸途径,产生的Kyn激活芳香烃受体(aromatic hydrocarbon receptor,AhR)信号通路和TLR-4-MyD88信号通路,诱导Bregs和Tregs分化,阻碍DCs成熟,抑制抗肿瘤T细胞反应[19];除此之外,犬尿氨酸途径产生的Kyn等代谢产物也具有细胞毒性,可抑制T细胞、NK细胞的功能并将Bregs、Tregs募集到肿瘤微环境中,激活MDSCs,产生局部抑制性免疫反应[36-37];③IDO活化还可以使抗原提呈细胞(antigen presenting cells,APCs)释放抑制性因子,如IL-10、转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β),形成抑制性TME,介导免疫耐受[38]。同时,在TME中,IDO过表达则CD4+T细胞和CD8+T细胞含量会明显下降[39]。由此可见,IDO在抗肿瘤免疫中发挥重要的调节作用。

4 HMGB1与IDO的相互作用机制

4.1HMGB1和IDO在肿瘤中相互作用机制 HMGB1和IDO在多种肿瘤组织中高表达,且在调控机体抗肿瘤免疫反应方面具有相似或协同关系,目前无相关文献阐明二者在肿瘤中的联系,但过往研究结果提示二者之间可能存在相关调控机制。过表达的HMGB1通过激活NF-κB信号途径促进Hela细胞的侵袭和迁移[10],同样,HIV-1 Tat蛋白通过NF-κB途径提高IDO-1的表达活性,进一步促进了Hela细胞增殖和侵袭[40]。推测,过表达的HMGB1可能通过激活NF-κB途径,上调IDO水平,促进Hela细胞增殖、侵袭和迁移。除此之外,在食管鳞状细胞癌(esophageal squamous cell carcinoma,ESCC)细胞中,二者也表现出一定的相关性。Han等[11]发现,在ESCC细胞中,过表达的HMGB1可通过与RAGE受体结合促进p38 MAPK信号通路活化,进而促进ESCC细胞增殖、侵袭和对放射线的抵抗性。同样,ESCC细胞过表达的p38 MAPK通路可以促进其增殖活性并上调IDO蛋白表达水平[16]。由此推测,过表达的HMGB1可能通过p38 MAPK途径促进IDO的表达,进而激活ESCC细胞的增殖活性。因此,HMGB1对NF-κB和p38 MAPK等通路的激活作用,可能是HMGB1促进IDO表达的主要机制之一。其具体调控网络及相关机制仍有待进一步研究。

4.2HMGB1和IDO在其他疾病中的相互作用机制 一些研究表明,在炎症反应和抑郁症中,HMGB1对IDO的表达存在一定的促进作用。HMGB1可作为上游调节剂被活化的巨噬细胞释放,与TLR-2/4结合,激活NF-κB、AP-1和IRF-5信号通路,促进IDO表达,参与分娩后的炎症反应[41]。Wang等[42]发现在抑郁行为模型小鼠体内血清HMGB1浓度上调同时IDO水平也会上调,二者水平呈显著正相关,可能与HMGB1促进Trp沿Kyn途径代谢有关。

5 HMGB1和IDO作为肿瘤免疫治疗潜在靶点的研究进展

近年来,肿瘤免疫治疗已经在肿瘤治疗中显示出广阔的前景。大量临床试验数据证明了HMGB1和IDO的抑制剂在多种肿瘤的免疫治疗中具有重要的作用。Jung等[14]首次发现了HMGB1与TNFR1相互作用可激活NF-κB信号通路,促进前列腺癌细胞增殖和侵袭,可通过使用HMGB1抑制剂来阻断HMGB1/TNFR1/NF-κB信号通路抑制肿瘤细胞的增殖与侵袭,同时活化T细胞,增强机体免疫功能,精准有效地抑制前列腺癌的进展,克服了前列腺癌治疗的局限性。HMGB1不仅可以作为治疗靶点,在乳腺癌的治疗过程中,还可用于筛选对CDK4/6抑制剂敏感的患者以提高治疗效果,由于HMGB1在对CDK4/6抑制剂敏感的乳腺癌细胞中高表达,故血清HMGB1高水平患者接受CDK4/6抑制剂治疗获益会更大,HMGB1成为筛选对CDK4/6抑制剂敏感的患者的潜在标志物[43]。

Tousif等[19]发现,IDO高表达促进Trp代谢产生Kyn,进一步促进Bregs的分化,抑制DCs抗原提呈能力,导致T细胞免疫耐受,故应用IDO抑制剂可下调Bregs,增强机体的抗肿瘤免疫反应。随着免疫治疗的不断深入研究,其他疗法联合肿瘤靶点免疫治疗法也逐渐在临床上推广使用。Wu等[44]报道,将光动力疗法(photodynamic therapy,PDT)和检查点阻断免疫疗法联合运用,NLG919@HA-Ce6发射稳定的球形纳米胶束选择性杀死肿瘤细胞,IDO抑制剂激发免疫反应,二者联合大幅提高了抗肿瘤免疫疗效。

然而,HMGB1和IDO在抗肿瘤免疫反应中,仍有很多作用机制未被发现或熟知。今后还需要更深入的研究以更好地理解肿瘤中HMGB1和IDO免疫抑制的确切机制和二者之间的调控作用。

6 展 望

本文主要汇总了HMGB1和IDO在肿瘤免疫逃逸中的作用,二者在促进肿瘤发生发展和调控肿瘤免疫逃逸中具有相同或相似的作用,因而推测HMGB1和IDO可能具有潜在的联系,但现有的文献证据不足以支持该推测,后续将在二者相互调控机制方面进行深入探究。随着研究的不断深入,利用HMGB1和IDO对机体免疫反应的双重调控作用机制,可通过适量使用抑制剂控制其表达量来调节机体的免疫耐受和免疫逃逸。以最大程度改善恶性肿瘤患者的预后。

除此之外,机体大部分蛋白质都是与伴侣分子或其他蛋白质一起发挥生物学作用,蛋白质间的相互作用在生命活动中至关重要[45]。基于HMGB1和IDO之间的潜在关联性,应用HMGB1和IDO抑制剂进行双靶向治疗比单独抑制HMGB1或IDO的活性来进行肿瘤免疫治疗可能具有更好的效果[46]。

综上所述,HMGB1和IDO有望成为肿瘤免疫治疗的新靶点,并且二者的调控网络值得更深入地研究。