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腫瘤免疫與細(xì)胞焦亡

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前言

腫瘤對(duì)凋亡的抵抗和免疫抑制的腫瘤微環(huán)境是腫瘤治療反應(yīng)差的兩個(gè)主要原因。細(xì)胞焦亡是一種不同于細(xì)胞凋亡的溶解性和炎癥性程序性細(xì)胞死亡途徑,最新的證據(jù)表明,腫瘤細(xì)胞中的細(xì)胞焦亡誘導(dǎo)導(dǎo)致強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)和顯著的腫瘤消退。

作為其抗腫瘤作用的基礎(chǔ),細(xì)胞焦亡是由促進(jìn)孔隙形成的gasdermin蛋白介導(dǎo)的,該蛋白通過(guò)釋放促炎細(xì)胞因子和細(xì)胞破裂后的免疫原性物質(zhì)促進(jìn)免疫細(xì)胞活化和浸潤(rùn)。然而,考慮到其炎癥性質(zhì),異常性的細(xì)胞焦亡也可能與腫瘤支持性微環(huán)境的形成有關(guān)。因此,深入了解細(xì)胞焦亡的分子途徑,理清細(xì)胞焦亡與癌癥之間復(fù)雜的聯(lián)系,有助于我們充分利用細(xì)胞焦亡,并將其應(yīng)用于現(xiàn)有的或新的抗癌策略。

細(xì)胞焦亡

上世紀(jì)90年代,在感染鼠傷寒沙門氏菌(S.typhurium)和福氏沙門氏菌的巨噬細(xì)胞中首次描述了細(xì)胞焦亡。雖然最初被認(rèn)為是一個(gè)凋亡過(guò)程,但進(jìn)一步的研究表明,這種細(xì)菌誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡嚴(yán)重依賴于caspase-1。焦亡細(xì)胞與凋亡細(xì)胞有一些共同特征,如染色質(zhì)濃縮和DNA斷裂,但可通過(guò)其完整的細(xì)胞核、孔隙形成、細(xì)胞腫脹和滲透溶解來(lái)區(qū)分。

通常,焦亡細(xì)胞破裂是通過(guò)結(jié)合損傷相關(guān)分子模式(DAMP)或病原體相關(guān)分子模式(PAMP)后,通過(guò)半胱氨酸蛋白酶介導(dǎo)的成孔GSDM蛋白活化實(shí)現(xiàn)的。這些相同的半胱氨酸蛋白酶也可能直接或間接促進(jìn)促炎細(xì)胞因子的成熟,這些促炎細(xì)胞因子與DAMP一起,在釋放時(shí)啟動(dòng)或維持炎癥反應(yīng)。

雖然細(xì)胞焦亡在病原體分解中起著重要的保護(hù)作用,但它已被認(rèn)為是幾種人類疾病的復(fù)雜因素,如心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病和艾滋病。糖尿病等代謝紊亂也可能通過(guò)慢性炎癥和胰島素干擾性細(xì)胞因子的產(chǎn)生而促進(jìn)細(xì)胞焦亡。在癌癥中,細(xì)胞焦亡的作用似乎是把雙刃劍。一方面,細(xì)胞焦亡可迅速導(dǎo)致腫瘤消退,另一方面,它可促進(jìn)腫瘤微環(huán)境的發(fā)展。因此,癌細(xì)胞可能抑制或刺激細(xì)胞焦亡,以支持其進(jìn)展,具體取決于環(huán)境。

細(xì)胞焦亡的分子機(jī)制

盡管已知的細(xì)胞焦亡途徑的數(shù)量在未來(lái)可能會(huì)增加,但目前已有兩條主要途徑和幾種替代途徑被闡明。在主要途徑中,細(xì)胞焦亡是由GSDMD誘導(dǎo)的,涉及炎癥性caspase-1(經(jīng)典途徑)或caspase-4/5(非經(jīng)典途徑)。在替代途徑中,最受廣泛關(guān)注的是GSDME通過(guò)caspase-3誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡。

經(jīng)典炎癥小體途徑

在經(jīng)典的炎性小體途徑中,模式識(shí)別受體(PRR)識(shí)別DAMP(例如纖維蛋白原、熱休克蛋白、DNA)和/或PAMP(例如鞭毛蛋白、聚糖、脂多糖)導(dǎo)致被稱為炎性小體的相應(yīng)胞質(zhì)信號(hào)復(fù)合物的激活,通常由傳感器蛋白、適配器和效應(yīng)器半胱氨酸蛋白酶組成。

盡管多種PRR,如NLR和TLR參與了這一過(guò)程,但已知其中只有部分能夠直接組裝炎癥小體并激活半胱氨酸蛋白酶caspase-1。具體而言,該亞群中的PRRs/炎癥小體傳感器包括NLR家族的NLRP1、NLRP3、NLRP4、AIM2和pyrin。激活后,這些傳感器中的大多數(shù)與適配蛋白ASC相互作用,后者通過(guò)前半胱氨酸蛋白酶-1的募集和切割激活caspase-1。除了釋放和激活GSDMD的致死N端結(jié)構(gòu)域(GSDMD-N),caspase-1還使前IL-1β和前IL-18成熟為IL-1β和IL-18,它們通過(guò)GSDMD-N形成的壞死膜孔釋放。

非經(jīng)典炎癥小體途徑

與標(biāo)準(zhǔn)炎癥小體途徑相反,非標(biāo)準(zhǔn)炎癥小體途徑不依賴caspase-1,而是依賴于caspase-4和caspase-5以及小鼠的caspase-11。這些半胱氨酸蛋白酶的激活是通過(guò)LPS與相應(yīng)的前半胱氨酸蛋白酶的直接結(jié)合發(fā)生的,并且繞過(guò)了炎癥小體傳感器。盡管這些半胱氨酸蛋白酶不直接激活I(lǐng)L-1β和IL-18,但它們通過(guò)GSDMD裂解觸發(fā)細(xì)胞焦亡導(dǎo)致鉀離子外流,從而激活NLRP3炎癥小體并上調(diào)caspase-1的作用。

替代途徑

研究表明,在某些情況下,如化療或靶向癌癥治療,可通過(guò)caspase-3誘導(dǎo)凋亡到焦亡的途徑。盡管caspases-3主要與凋亡執(zhí)行和形態(tài)學(xué)改變有關(guān),但它可以通過(guò)切割GSDME介導(dǎo)細(xì)胞焦亡,這同樣導(dǎo)致GSDME-N孔的形成和膜的通透性改變。當(dāng)GSDME水平較高時(shí),caspase-3激活后會(huì)迅速引發(fā)細(xì)胞焦亡,但當(dāng)GSDME水平較低時(shí),則會(huì)引發(fā)凋亡。然而,這一概念仍需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

此外,還有其他幾種替代性細(xì)胞焦亡途徑,包括caspase-8對(duì)GSDMD的切割;caspase-8或顆粒酶B(GzmB)對(duì)GSDME的切割;caspase-1或顆粒酶A(GzmA)對(duì)GSDMB的切割;通過(guò)caspase-8切割GSDMC,GSDMC通過(guò)缺氧激活的程序性死亡配體1(PD-L1)和pSTAT3轉(zhuǎn)錄上調(diào)以及其它未知機(jī)制形成的GSDMA孔。

癌癥中的細(xì)胞焦亡及其成分

細(xì)胞焦亡在癌癥中的模糊作用似乎與細(xì)胞類型、遺傳學(xué)和誘導(dǎo)持續(xù)時(shí)間有關(guān)。在異常表達(dá)和延長(zhǎng)活性后,GSDM、炎癥小體和/或促炎細(xì)胞因子可通過(guò)誘導(dǎo)免疫抑制細(xì)胞、促進(jìn)上皮細(xì)胞向間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化以及上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶以進(jìn)行細(xì)胞外基質(zhì)重塑來(lái)促進(jìn)腫瘤病理學(xué)。另一方面,與這些效應(yīng)并列,細(xì)胞焦亡也可以抑制腫瘤,例如,在肝細(xì)胞癌模型中,通過(guò)NLRP3炎性小體激活誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡顯著抑制了腫瘤的轉(zhuǎn)移和生長(zhǎng)。

鑒于細(xì)胞焦亡的雙重作用,其分子成分在不同癌癥中存在差異表達(dá)。GSDMs在乳腺癌、胃癌、宮頸癌和肺癌等腫瘤中,已被證明同時(shí)作為癌基因或腫瘤抑制因子控制增殖、轉(zhuǎn)移、治療抵抗和抗腫瘤免疫。

在胃癌(GC)中,GSDMD表達(dá)顯著降低,并導(dǎo)致體外和體內(nèi)腫瘤增殖增強(qiáng)。相反,非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)中的GSDMD蛋白水平顯著升高,并且與腫瘤轉(zhuǎn)移以及更差的預(yù)后相關(guān)。與GSDMD類似,GSDME在胃癌、乳腺癌和大腸癌中的表達(dá)也降低。GSDMC在大腸癌中表達(dá)明顯上調(diào),在大腸癌中,GSDMC在體外促進(jìn)了癌變和增殖,在體內(nèi)促進(jìn)了腫瘤生長(zhǎng)。GSDMB水平越高,乳腺癌患者的轉(zhuǎn)移率越高,生存率越低。

在其他細(xì)胞焦亡成分中,觀察到大多數(shù)結(jié)直腸癌腫瘤中AIM2表達(dá)顯著降低或缺失,且與患者預(yù)后不良有關(guān)。NLRP1水平在大腸癌腫瘤組織中同樣降低,并與轉(zhuǎn)移增加和生存率降低有關(guān)。乳腺癌患者組織中的caspase-1 mRNA水平顯著降低,此外,caspase-1的缺失與前列腺癌和大腸癌的腫瘤發(fā)生有關(guān)。

闡明細(xì)胞焦亡與癌癥之間的關(guān)系需要更廣泛的研究。一個(gè)面臨的挑戰(zhàn)將是識(shí)別每種細(xì)胞焦亡分子成分的腫瘤特異性作用。由于多條通路導(dǎo)致細(xì)胞焦亡,且多個(gè)成分重疊,因此,表征每條通路的整體腫瘤特異性效應(yīng),而不是每個(gè)成分的個(gè)體效應(yīng),可能是理解和/或預(yù)測(cè)腫瘤對(duì)細(xì)胞焦亡調(diào)節(jié)的更有效策略。

細(xì)胞焦亡與抗腫瘤免疫的關(guān)系

細(xì)胞死亡引發(fā)適應(yīng)性免疫反應(yīng)的能力稱為免疫原性細(xì)胞死亡(ICD)。與基本上是免疫耐受過(guò)程的凋亡不同,細(xì)胞焦亡具有誘導(dǎo)強(qiáng)烈炎癥反應(yīng)的分子機(jī)制,在某些情況下被認(rèn)為是ICD的一種形式。雖然細(xì)胞焦亡與抗癌免疫之間的聯(lián)系尚不清楚,但越來(lái)越多的研究表明,細(xì)胞焦亡介導(dǎo)的腫瘤清除是通過(guò)增強(qiáng)免疫激活和功能實(shí)現(xiàn)的。

GSDMA

研究發(fā)現(xiàn),將GSDMA的小鼠亞型Gsdma3選擇性地遞送到人類HeLa、小鼠EMT6和小鼠4T1癌細(xì)胞,導(dǎo)致20-40%的細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞焦亡。在體內(nèi)模型中,通過(guò)靜脈或瘤內(nèi)注射NP–Gsdma3進(jìn)行三輪治療,導(dǎo)致腫瘤明顯縮小。與PBS對(duì)照組相比,NP–Gsdma3治療的腫瘤中CD4+、CD8+、自然殺傷(NK)和M1巨噬細(xì)胞數(shù)量增加,但單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、髓源性抑制細(xì)胞和M2巨噬細(xì)胞的數(shù)量減少。此外,除了在血清和腫瘤水平IL-1β、IL-18和HMGB1水平增加外,還發(fā)現(xiàn)許多免疫刺激和抗腫瘤效應(yīng)基因(如Cd69、Gzma、Gzmb)的上調(diào),各種免疫抑制和腫瘤前體基因(如Csf1、Vegfa、Cd274)下調(diào)。

GSDMD

通過(guò)研究CTLs在肺鱗狀細(xì)胞癌(LUSC)和黑色素瘤腫瘤樣本中與CD8+T細(xì)胞標(biāo)記物有關(guān)的GSDM基因的表達(dá),發(fā)現(xiàn)在五個(gè)GSDM基因成員中,只有GSDMD表達(dá)與CTL中的CD8+T細(xì)胞標(biāo)記基因(例如CD8A、CD8B、PRF1、GZMA、GZMB和IFNG)呈正相關(guān)。進(jìn)一步研究表明,與原始T淋巴細(xì)胞相比,OT-1小鼠活化的CTL中GSDMD的表達(dá)顯著增加。類似地,人CD8+T細(xì)胞在激活后上調(diào)GSDMD,腫瘤浸潤(rùn)淋巴細(xì)胞(TIL)中可見高水平的GSDMD蛋白。

此外,GSDMD敲除后,CTL對(duì)3LL-OVA細(xì)胞的細(xì)胞毒性降低。使用人CTL和H1299非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞系記錄了類似的結(jié)果?紤]到CTL殺死腫瘤細(xì)胞的一個(gè)關(guān)鍵途徑是通過(guò)將細(xì)胞毒性分子釋放到它們形成的免疫突觸中,推測(cè)GSDMD和GzmB進(jìn)入效應(yīng)癌細(xì)胞可能是研究中發(fā)現(xiàn)的CTL細(xì)胞毒性的潛在機(jī)制。

GSDMB

GSDMB介導(dǎo)細(xì)胞焦亡與GzmA密切相關(guān)。在HEK-293F細(xì)胞中的五種人類顆粒酶中,發(fā)現(xiàn)只有GzmA以類似于NK細(xì)胞殺傷試驗(yàn)的模式快速切割GSDMB。當(dāng)GzmA電穿孔到GSDMB重組的293T細(xì)胞中時(shí),引起廣泛的GSDMB裂解和細(xì)胞焦亡。同樣,在生理?xiàng)l件下,GzmA介導(dǎo)的GSDMB切割在NK細(xì)胞殺傷293細(xì)胞時(shí)也是必需的。

值得注意的是,其他GSDMB水平不明顯的癌細(xì)胞系,如OE33(食管癌細(xì)胞)和HCC1954(乳腺癌細(xì)胞),可通過(guò)暴露于通常由活化的CTL釋放的細(xì)胞因子(如IFN-γ和TNF-α)來(lái)轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)GSDMB表達(dá)增加。反過(guò)來(lái),IFN-γ啟動(dòng)顯著增強(qiáng)了這些細(xì)胞系的細(xì)胞焦亡,這種效應(yīng)最終取決于GzmA。

總之,這些發(fā)現(xiàn)不僅表明GSDMB介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡作用于GzmA下游,而且細(xì)胞毒性淋巴細(xì)胞可將GzmA傳遞到表達(dá)GSDMB的癌細(xì)胞中,以促進(jìn)抗腫瘤免疫。

GSDME

研究發(fā)現(xiàn),GSDME介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡與GzmB相關(guān)。在小鼠4T1E乳腺癌細(xì)胞中異位表達(dá)小鼠GSDME(mGSDME),在體內(nèi)模型中可顯著抑制4T1E腫瘤生長(zhǎng),并導(dǎo)致NK細(xì)胞和腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(TAM)浸潤(rùn)增加。此外,當(dāng)受到刺激時(shí),腫瘤中表達(dá)GzmB和穿孔素的NK細(xì)胞和CD8+TIL增加。

進(jìn)一步研究表明,人NK細(xì)胞系YT可以激活表達(dá)GSDME的HeLa細(xì)胞中的細(xì)胞焦亡,這種誘導(dǎo)是通過(guò)GzmB實(shí)現(xiàn)的,它不僅在與caspase-3相同的位置切割GSDME,而且間接激活caspase-3。

此外,CAR-T細(xì)胞可以通過(guò)穿孔素和GzmB釋放,在B細(xì)胞白血病和實(shí)體瘤細(xì)胞中誘導(dǎo)GSDME介導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞焦亡。用共同培養(yǎng)的CD19-CAR-T細(xì)胞和癌細(xì)胞(NALM-6、Raji或原發(fā)性B白血病細(xì)胞)的上清液處理人源性巨噬細(xì)胞,可促進(jìn)巨噬細(xì)胞激活caspase-1,切割GSDMD,并釋放IL-6和IL-1β。同時(shí)發(fā)現(xiàn)共培養(yǎng)上清液中的ATP和HMGB1分別足以促進(jìn)巨噬細(xì)胞IL-1β分泌和IL-6上調(diào)?偟膩(lái)說(shuō),這些發(fā)現(xiàn)表明CAR-T細(xì)胞治療通過(guò)GSDME促進(jìn)的細(xì)胞焦亡誘發(fā)CRS,對(duì)CD19-CART細(xì)胞治療前患者的腫瘤細(xì)胞進(jìn)行分析,顯示GSDME水平升高與更嚴(yán)重的CRS相關(guān)。

細(xì)胞焦亡在抗癌治療中的應(yīng)用前景

近年來(lái),越來(lái)越多的研究表明,利用細(xì)胞焦亡通過(guò)不同的靶向和傳遞方法進(jìn)行抗腫瘤免疫的可行性和治療潛力。

例如,利用腫瘤細(xì)胞衍生微粒(TMP)將甲氨蝶呤注入膽管癌(CCA)細(xì)胞,以誘導(dǎo)GSDME介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡,從而激活患者衍生的巨噬細(xì)胞,并將中性粒細(xì)胞募集到腫瘤部位進(jìn)行藥物導(dǎo)向的腫瘤破壞。此外,當(dāng)這種甲氨蝶呤TMP輸送系統(tǒng)注入肝外CCA患者的膽管管腔時(shí),25%的患者觀察到中性粒細(xì)胞活化和膽道梗阻的緩解。

此外,還發(fā)現(xiàn)GSDME介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡通過(guò)BRAF和MEK抑制劑的組合在黑色素瘤中引起免疫細(xì)胞浸潤(rùn)/激活,并導(dǎo)致黑色素瘤消退。在另一種策略中,二甲雙胍是治療2型糖尿病最常用的藥物,其可以通過(guò)caspase-3間接激活細(xì)胞焦亡來(lái)抑制癌細(xì)胞增殖。

一系列針對(duì)KRAS、EGFR或ALK突變型肺癌的小分子抑制劑也被發(fā)現(xiàn),在線粒體固有凋亡途徑激活后,通過(guò)caspase-3介導(dǎo)的GSDME裂解誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡。在乳腺癌細(xì)胞中,用RIG-1激動(dòng)劑治療可觸發(fā)外源性凋亡途徑和細(xì)胞焦亡,激活STAT1和NF-κB并上調(diào)淋巴細(xì)胞募集趨化因子。因此,在小鼠中RIG-1激活后,乳腺癌轉(zhuǎn)移和腫瘤生長(zhǎng)的減少伴隨著腫瘤淋巴細(xì)胞的增加。

幾乎所有抗癌免疫治療策略面臨的另一個(gè)主要障礙是免疫抑制腫瘤微環(huán)境引起的失調(diào)。為了解決這個(gè)問(wèn)題,Lu等人設(shè)計(jì)了含有嵌合共刺激轉(zhuǎn)化受體(CCCR)的NK92細(xì)胞,該受體將抑制性PD-1信號(hào)轉(zhuǎn)化為激活信號(hào),有效地增強(qiáng)了抗腫瘤活性。在體外,CCCR-NK92細(xì)胞通過(guò)GSDME介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡迅速殺死H1299細(xì)胞,在體內(nèi)顯著抑制腫瘤生長(zhǎng)。

此外,越來(lái)越多令人興奮的研究報(bào)告表明,細(xì)胞焦亡誘導(dǎo)與PD-1抑制劑協(xié)同作用使腫瘤由“冷”變“熱”,表明這種組合的巨大潛力。

小結(jié)

作為一種炎性細(xì)胞死亡模式,細(xì)胞焦亡通過(guò)激發(fā)抗腫瘤免疫反應(yīng)而在腫瘤抑制中發(fā)揮重要作用。在某些情況下,單純的細(xì)胞焦亡誘導(dǎo)就可能足以阻礙腫瘤生長(zhǎng)。然而,細(xì)胞焦亡治療應(yīng)用面臨的最大挑戰(zhàn)之一是細(xì)胞焦亡相關(guān)成分的表達(dá)和功能的不規(guī)則性,不僅在不同的癌癥之間,而且還存在于同一類型的癌癥中。盡管如此,分子、遺傳和表觀遺傳靶向/遞送系統(tǒng)的進(jìn)步,以及精準(zhǔn)和個(gè)性化的醫(yī)學(xué)的發(fā)展,讓我們有希望很快能夠利用這些強(qiáng)大機(jī)制作為治療癌癥的工具。

參考文獻(xiàn):

1.Pyroptosis at the forefront of anticancerimmunity. J Exp Clin Cancer Res. 2021; 40: 264.

       原文標(biāo)題:腫瘤免疫與細(xì)胞焦亡

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