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头颈肿瘤免疫微环境的那些事儿

NO.4

2021-10-27 来源 : VIP说

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头颈部肿瘤是一组高度侵袭的异质性肿瘤，是全球第六大常见的癌症类型。其中，90％的头颈肿瘤是鳞状细胞癌（HNSCC）。研究显示HNSCC的肿瘤微环境（TME）是由许多不同的细胞亚群组成的，这些细胞亚群可以浸润到肿瘤内部并通过各种机制与肿瘤细胞或彼此间进行相互作用。

我们也都知道先天性和适应性免疫细胞在介导免疫监视和控制肿瘤生长中都起着至关重要的作用。因此，今天我们就来探讨一下头颈鳞癌肿瘤微环境那些事儿，来看一看不同细胞亚群在肿瘤微环境中是如何工作的。从而更好的了解HNSCC发生和发展中的关键因素，为HNSCC患者开发出更有效的免疫疗法。

背景

头颈癌（HNC）是由上消化道粘膜表面引起的一组异质性肿瘤，包括鼻窦，口腔，鼻咽，口咽，下咽和喉。总的来说，HNC是全球第六大流行性癌种，每年新发确诊病例达880,000例，超过450,000例患者死亡。在所有HNC中，百分之九十是头颈部鳞状细胞癌（HNSCC），其中75％的病例与酗酒和吸烟有关。

但是，新的研究表明，人乳头瘤病毒（HPV）感染可能是22%口咽鳞状细胞癌患者（OSCC）和47%扁桃体鳞状细胞癌患者（TSCC）的相关危险因素。研究显示：HNSCC会严重影响患者的生活质量，并且预后较差，对治疗的反应低且容易发生耐药。HNSCC的5年存活率为50-60%，并且高达30％的患者会发生复发或治疗失败。

但是，近几年来免疫治疗的出现，似乎为头颈鳞癌的患者带来了新的希望。随着Checkmate-141和Keynote-040研究结果的公布，以及O药和K药二线单药治疗复发/转移性头颈鳞癌患者的获批，为这些晚期患者带来了更多的选择。

在今年K药单药一线治疗PD-L1阳性评分（CPS）≥20的转移性或不可切除的复发性头颈部鳞状细胞癌（HNSCC）更是得到了NMPA的获批，这一切的都说明头颈鳞癌已经进入了免疫治疗的时代。因此，更好的了解该癌种的免疫微环境也就变得尤为重要。

头颈鳞癌中的免疫细胞

头颈鳞癌的主要治疗难点在于该类癌种的高复发率和/或转移率，这不仅仅说明了头颈肿瘤的治疗难度也同时意味着该癌种复杂的分子机制。头颈鳞癌的高转移性和高复发率背后的原理可能与周围组织基质以及免疫细胞构成的肿瘤微环境有着密不可分的关系。宿主的免疫系统能够识别和消除肿瘤细胞。

然而，逃避免疫监视会产生一个适应肿瘤细胞进展和存活的环境。有趣的是HNSCCs不仅具有避免免疫细胞识别的能力，而且还具有免疫抑制的作用。这种免疫逃避是通过下调人类白细胞抗原（HLA）的表达来实现的，这会影响T细胞对癌细胞的识别。此外，有研究发现头颈肿瘤的免疫微环境还被证明会损害肿瘤浸润淋巴细胞（TIL）的功能。

肿瘤免疫微环境可由不同的细胞子集组成，例如癌症相关的基质成纤维细胞，T细胞，B细胞，嗜中性粒细胞，巨噬细胞，髓系来源的抑制细胞（MDSC），自然杀伤（NK）细胞和肥大细胞。这些不同的细胞亚群可以浸润到肿瘤微环境中，并通过各种网络与肿瘤细胞以及彼此相互作用。先天性（例如NK细胞）和适应性（例如CD8 + T细胞）免疫细胞在免疫监视和控制肿瘤生长中都起着至关重要的作用。

另一方面，免疫细胞的某些亚群（例如，MDSC和巨噬细胞）也可以促进肿瘤的生长。因此，如果肿瘤能够逃避和/或抑制抗肿瘤免疫应答，则肿瘤就会发生进展。在这方面，肿瘤往往通过抑制T细胞功能或通过激活扩大免疫抑制性细胞群来逃避宿主的免疫监视。接下来将会详细介绍头颈鳞癌的肿瘤微环境是如何调节和削弱宿主免疫作用机制的。

T 细胞

T细胞是一种淋巴细胞，是适应性免疫系统的重要组成部分，可分为CD4 +和CD8 + T细胞。CD8阳性的肿瘤浸润T细胞可以通过产生穿孔素/颗粒酶直接杀死肿瘤细胞，而活化的CD4和CD8 肿瘤浸润T细胞还可以分泌具有杀死肿瘤细胞的细胞因子（例如干扰素γ[IFN-γ]，肿瘤坏死因子-α[TNF-α]），并且通过这些细胞因子还可以招募其它抗肿瘤免疫细胞。

在一项使用口咽鳞状细胞癌（OSCC）患者样本的研究中，观察到大多数肿瘤内浸润的淋巴细胞是CD8+T细胞，而这些患者中有67％同时具有CD4+肿瘤浸润的淋巴细胞。该研究发现，在这些患者中，具有较高CD8阳性的肿瘤浸润细胞的患者与更好的临床参数相关（例如：较小的肿瘤尺寸和较低的淋巴结转移率），但是与患者的生存率没有关系。

进一步分析CD4与CD8的比值也未曾显示与临床预后有任何关系。但是，在另一项研究报道中显示较高的CD4和CD8肿瘤浸润性免疫细胞与总生存期（OS）的改善和无复发生存期（RFS）相关。此外，在调控了其它预后因素之后，较高的CD4水平预示着更长的生存期（OS）和更好的疾病特异性生存期。与此一致的，在另一项系统回顾和荟萃分析中同样证实CD3+和CD8+的肿瘤浸润淋巴细胞（TIL）在头颈鳞癌的临床结果中具有良好的预后作用，并且发现FoxP3+的肿瘤浸润淋巴细胞也与OS的改善具有相关性。

一项研究表明，通过比较HNSCC患者和健康者的外周血单核细胞（PBMC）发现：T细胞亚群的比例在数量上没有差异，但是患者T细胞与健康人相比在质量上存在差异。当这些外周血T细胞受到病毒抗原肽的刺激时，HNSCC患者的T细胞产生的IFN-γ召回反应与健康人相比明显减弱，这提示HNSCC患者存在全身免疫抑制状态。

尽管CD8阳性的肿瘤浸润淋巴细胞（TIL）可能代表着适应性免疫应答，但研究表明功能障碍TILs是普遍存在的现象，表现出细胞因子产生和增殖能力的下降或是缺乏细胞毒性功能。在头颈肿瘤患者的病例中TILs的衰竭和功能异常的特征往往是因为存在免疫抑制型检查点的上调，例如程序性细胞死亡受体1（PD-1），淋巴细胞激活基因3（LAG-3）以及T细胞免疫球蛋白粘蛋白3（TIM-3）等。接下来将会详细的看一看头颈鳞癌中T细胞耗竭和功能异常的原因和机制。

PD-1是在活化的CD4+或CD8+ T细胞上表达的共抑制受体，PD-1具有两个配体PD-L1和PD-L2。PD-1也被认为是耗竭性T细胞的标志物，并且发现在各种类型的癌症中存在着在CD4 +和CD8 + TILs上的表达上调。在临床前的研究中，我们已经证明在鳞状细胞癌的小鼠模型中，CD8阳性的TILs会高表达PD-1和LAG-3。

通过与肿瘤细胞上的PD-L1结合而抑制T细胞的功能或促进其凋亡。多项研究表明，头颈鳞癌的肿瘤微环境可以通过上调肿瘤细胞上的PD-L1表达，利用凋亡机制显著降低CD8阳性T细胞的浸润水平。此外，其它研究发现在头颈鳞癌患者的血浆样本中可以分离出PD‐L1表达的外泌体，并且发现PD-L1高表达的外泌体与HNSCC的疾病进展具有相关性。另有研究表明，头颈鳞癌还可能通过产生Fas-L阳性的微囊泡来诱导CD8+T细胞的凋亡。总而言之，这些机制可能为头颈鳞癌患者的全身免疫抑制的肿瘤微环境提供了解释。

导致头颈鳞癌CD8+T细胞功能障碍的另一种机制可能是循环和肿瘤浸润的调节T细胞（Treg）和Th17细胞水平升高。其中Th17细胞增殖很可能是由头颈肿瘤细胞释放的IL-23和IL-6水平升高引起的。Treg细胞占外周血CD4+T细胞亚群不到5％，其特征为CD4+CD25+FOXP3+。

Treg细胞的作用是调节其他免疫细胞的过度免疫反应，以防止自身免疫。然而，这种功能也限制了免疫系统靶向肿瘤细胞。外周Tregs细胞可以被募集到肿瘤微环境中，在那里转化生长因子（TGF-β）使它们发生分化并变得更具免疫抑制作用。研究发现，在头颈鳞癌进展的后期TGF-β水平升高，这似乎破坏了Th17与Tregs的比例。

这种破坏诱导了HNSCC中促进肿瘤生长的Treg细胞分化，并增加了HNSCC中抗炎细胞因子白介素10（IL-10）的产生。但是，有研究显示，HNSCCs中高水平的FoxP3 + Treg浸润与更长的RFS和OS相关。这可能是因为肿瘤微环境中高水平的FoxP3+Treg的存在表明正在进行强大的抗肿瘤免疫反应，这将有助于抑制肿瘤的生长。

除了功能失调的T细胞外，MHC分子（或HLA分子）表达的下调也可能有助于肿瘤细胞逃避适应性免疫应答。MHC-I类分子对于将肽段呈递给CD8+T细胞识别肿瘤相关抗原或肿瘤特异性抗原是必不可少的。大约50％的HNSCC肿瘤可能通过下调MHCI类分子而逃避免疫监视。

研究发现，12.7％的HNSCC病例未检测到MHC I类表达，另有其他病例可降低MHC I类分子的表达。但是，目前HNSCC降低MHC-I类分子表达的机制仍缺乏很好的理解。有研究发现在HNSCC肿瘤发展的早期阶段，原发性HNSCC中CD8+ T细胞与MHC-I类分子的相互作用可导致肿瘤排斥或免疫逃逸现象。总之，MHC-I类分子的表达减少会使肿瘤细胞逃避CD8+T细胞的检测，并避免CD8+杀伤T细胞介导的抗肿瘤免疫反应的激活。

髓系细胞

肿瘤相关巨噬细胞（TAM）在HNSCC中很常见，可分为两个亚群：M1型介导促炎和抗肿瘤反应和M2型具有免疫抑制作用及促肿瘤特性。M1型产生促炎性细胞因子，例如IL-12，IL-23和IFN-γ，并被证明具有抗肿瘤免疫特性。相比之下，M2型不仅产生IL-10和TGF –β这些抑制性的细胞因子，还同时会抑制M1型的抗肿瘤作用。已有研究显示肿瘤微环境（TME）中较高水平的TAM与淋巴结转移和HNSCC的晚期进展有关。

最近的一项研究表明，HNSCC的TME在很大程度上包含了M2型的TAM，并且显示TGF-β水平较高。TAM促发炎症和肿瘤发生的可能机制是产生活性氧（ROS），活性氮和前列腺素。此外，已发现TAM可产生高水平的炎性细胞因子（例如TNF-α和IL-1β）和巨噬细胞迁移抑制因子（MIF）。其中，MIF是趋化因子受体CXCR2的配体，已被证明能促进鳞状细胞癌（SCC）的迁移，细胞基质的黏附以及中性粒细胞的募集。这些募集的中性粒细胞可以释放肝细胞生长因子（HGF），而HGF又可以通过其反馈机制调节细胞生长，形态变化和运动性进而增加肿瘤细胞的侵袭性。

临床前研究使用小鼠鳞状细胞癌（SCC）模型探索了TAM降低的效果。用氯膦酸盐处理小鼠使巨噬细胞发生耗竭，观察到TAM降低使得SCC肿瘤体积减少。这说明氯膦酸盐治疗可增加SCC凋亡，但不会减弱SCC增殖和转移。TME中这些髓样细胞的免疫抑制特性，定量的TAM可能对HNSCCs的预后具有分层作用。

此外，在正在进行的临床试验中，针对TAM联合检查点抑制剂的治疗策略已经在黑色素瘤，肺癌，结肠癌和乳腺癌中显示出了令人鼓舞的结果。尽管目前已经有一些研究提示TAM的密度增加与HNSCC中不良的临床病理有关，但仍缺乏针对HNSCC患者的TAM靶向治疗策略，还有待进一步的探索。

骨髓源性抑制细胞

先前的研究表明，MDSC在预测肿瘤对各种肿瘤免疫疗法的反应中可能起关键作用。MDSCs可以在外周血，淋巴样引流组织以及HNSCC肿瘤组织中循环。许多研究表明，MDSC在感染，炎症和肿瘤发展过程中会下调免疫反应。MDSC是CD11b 表达阳性的细胞，在表型上可分为多形核MDSC（PMN-MDSC）和单核MDSC（M-MDSC）。

其中，PMN‐MDSC与未成熟的多形核细胞相似，可以表达Ly6Clo和Ly6G +。M‐MDSCs是标记有Ly6Chi和Ly6G-的未成熟单核细胞，当信号传导与转录激活因子3（STAT3）下调时可以分化为TAMs。但还需要进一步来验证在HNSCC也存在同样的现象。

研究发现，M‐MDSC的数量与SCC的化疗反应呈负相关，M‐MDSC通过非抗原特异性机制具有高度免疫抑制作用。PMN‐MDSCs也同样具有免疫抑制作用，它们可以通过抗原特异性方式增强T细胞耐受性。进一步研究显示淋巴器官的外周MDSCs可抑制抗原特异性CD8+T细胞，而TME中的MDSCs可同时抑制抗原特异性和非抗原特异性的T细胞功能。

外周的MDSC可发生细胞间的紧密接触，通过产生一氧化氮（NO）和ROS来抑制T细胞的抗原特异性免疫反应。并且外周的MDSC可以通过消耗必需氨基酸水平（例如L-精氨酸和色氨酸）来减少T细胞增殖。

但是，HNSCC患者TME中的 MDSCs不仅可以通过产生NO和Arg1活性表现抗原特异性的免疫抑制作用，而且还可以通过抑制T细胞上的CD3 / CD28的表达来抑制抗原特异性和非特异性T细胞应答。与此同时，MDSC也可以通过诱导免疫抑制性细胞因子（例如IL-10和TGF-β）释放和招募Tregs细胞，从而下调效应T细胞的增殖和活化，最终导致肿瘤的生长和转移。

最近的一项研究发现，肿瘤相关的缺氧环境会导致肿瘤浸润的MDSCs上PD-L1表达的上调。而这种现象是由HIF-1α转录因子所引起的，进而导致MDSCs更强的免疫抑制作用。

另一个可以增加MDSCs免疫抑制活性的机制是：MDSCs上 CD38表达的上调。表达较高水平CD38的MDSC通常具有更大的促进肿瘤生长的能力，并且具有更强的免疫抑制作用。研究显示CD38还可以促进M‐MDSC群体的扩增。

此外，还发现IFN‐γ，TNF-α和其他细胞因子也可以诱导MDSC中CD38的表达，这说明负反馈调节通路也可以阻止抗肿瘤免疫。临床前研究发现在骨髓瘤和血液系统肿瘤的鼠模型中给予靶向CD38+MDSCs的单抗药物后，可以有效延迟肿瘤的进展。因此，研究者推测选择性抑制MDSCs某些亚型的靶向疗法可能为对抗具有高密度MDSCs的HNSCCs提供新疗法。

HNSCC的当前和未来免疫疗法

在HNSCC的早期阶段可以通过手术或放射疗法进行治疗。然而，由于严重的功能障碍以及患者的审美需求，通常会导致HNSCC的治疗十分受限。因此，为解决这一问题，需要开发和鉴定新的治疗策略和特定的标记物以改善和预测HNSCC患者的治疗结果和生存。

免疫检查点抑制剂可以重启T细胞激活的突破性发现给肿瘤患者带来了新的希望。近年来，免疫疗法在HNSCCs的临床研究（如pembrolizumab，nivolumab和durvalumab），已证明PD-1 / PD-L1是有效并且安全可控的。尽管FDA已经批准了抗PD-1 / PD-L1用于治疗HNSCC，但总体缓解率仍然很低。对抗PD-1 /PD-L1无反应的潜在机制仍然知之甚少，并且预测反应的标志物也没有很好的指征。

目前，HNSCC正在开展多项临床试验以评估单独使用抗PD-1 /PD-L1或结合放疗，靶向治疗和化学疗法的作用，但其疗效和安全性仍需要进一步的探索和验证。

预测HNSCC对PD-1抑制剂反应的关键因素可能是IFN-γ的产生。在2017年的一项研究中，发现IFN-γ得分可以预测HNSCCs对PD-1抑制剂的临床反应。此外，研究还表明T细胞炎性基因表达谱（其中包含IFN-γ应答基因）也可以预测了PD-1抑制剂的临床反应。

但是，有研究发现尽管T细胞炎性表型的这些特征对于临床受益是必要的，但并不充分。因为在一些具有该表型的患者中并没有从PD-1抑制剂治疗中获益。因此，我们需要更好地了解这部分患者的耐药机制。有研究发现IFN-γ除了会使得肿瘤细胞或其它细胞上PD-L1表达上调以外，还会导致负反馈调节使得其它免疫抑制检查点的上调，如IDO，LAG3等，这些可能是导致PD-1抑制剂耐药的原因。

与此同时，为了HNSCC得到更好的治疗及疗效，除了免疫检查点抑制剂以外还需要新的治疗策略，例如使用基于新抗原开发的疫苗疗法治疗HNSCC。新抗原是通过癌症中的体细胞突变而新形成的抗原。因此，它们在正常的宿主组织中是不存在的。新抗原具有极好的前景，可以诱导癌症特异性的免疫反应，从而有可能根除癌症，同时保留正常的组织，最大程度地减少副作用。

NGS测序技术和表位预测算法的最新进展已使鉴定肿瘤特异性新抗原成为可能。通过结合基因组学，生物信息学和免疫学方法，可以在小鼠模型和人类患者样品中鉴定出新抗原。临床前研究的小鼠模型表明了肿瘤特异性新抗原在免疫治疗中的潜在益处。同时，在人类癌症中治疗新抗原的结果也令人鼓舞。因此，探索HNSCC是否包含新抗原以及新抗原是否能引起免疫反应成为了近年来研究的热点。

另一个新进展是使用基因修饰的抗原特异性T细胞，该T细胞靶向肿瘤细胞表面表达的抗原。也就是近年来非常火热的CAR-T细胞疗法，该疗法在HNSCC和血液系统癌症中也展现了令人鼓舞的治疗潜力。

先前的一项研究确定了HNSCC上的9个过表达基因可能是CAR-T细胞治疗的潜在靶点，但最终只有少数靶点抗原展示出了良好的效果。其中，针对HNSCC的HER2特异性，CD70特异性和T4（T1E28ζ/4αβ）特异性的CAR‐T疗法的临床前和临床数据均证明了有效的抗肿瘤活性，但脱靶效应带来的毒性风险仍然是需要着重克服的挑战。

总之，对于HNSCC治疗的新兴疗法正在不断探索中，例如针对血管内皮生长因子、HIF-1α以及核因子κβ作为TME治疗靶点的研究也展现出了让人欣喜的希望。然而，所有这些免疫疗法也都面临着多种挑战因素，仍需要进一步的分析与探索。

参考文献

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