Введение
Рак является полигенными заболеваниями, инициируемыми множественными онкогенными факторами, которые дисрегулируют экспрессию опухоль-супрессорных генов и/или протоонкогенов, приводя к злокачественному прогрессированию [1]. Неопластическая ткань состоит из гетерогенных популяций опухолевых клеток в среде из иммунных и неиммунных клеток, находящихся во внеклеточном матриксе с большим количеством цитокинов, хемокинов и факторов роста, известных как опухолевая микросреда (TME) [2-4]. TME имеет динамические атрибуты с про- и противоопухолевыми свойствами, которые также могут влиять на лекарственные ответы [5]. Опухолевые клетки способны уклоняться от иммунного надзора хозяина, задействовуя избыток иммуносупрессивных клеток, включая Т-регуляторные клетки (Treg) [6, 7] и миелоид-дериватные супрессорные клетки (MDSC) [6], которые супрессируют пролиферацию цитотоксических Т-клеток (CTL) и промотируют злокачественное прогрессирование [8]. Среди этих супрессивных клеток Treg являются основными регуляторными клетками, которые не только секретируют цитокины, способствующие возникновению и пролиферации злокачественных новообразований, но также играют незаменимую роль в индукции неоангиогенеза и метастазирования [9-12]. Инфильтрация Treg наблюдается в подавляющем большинстве солидных опухолей. Образцы распространенных опухолей демонстрируют более высокую инфильтрацию Treg по сравнению с образцами опухолей ранних стадий [14]. Более высокая инфильтрация Treg отрицательно коррелирует с инфильтрацией цитотоксическими CD8+ T-клетками и ассоциирована с неблагоприятным прогнозом заболевания [15]. В целом, Treg-инфильтрация способствует опухолевидному прогрессированию и угнетает противоопухолевые иммунные ответы [16, 17].
Опухолевые клетки адаптируются к множественным метаболическим процессам, включая гликолиз, окислительное фосфорилирование (OXPHOS) и метаболизм жирных кислот, для получения энергии для их выживания и прогрессирования в неблагоприятной опухолевой среде [18]. Дифференцировка Т-клеток при TME опосредованно регулируется опухоль-медиируемыми метаболитами и способствует опухолевому прогрессированию [19]. В TME метаболическое перепрограммирование Т-клеток инициируется активацией сигналинга Т-клеточного рецептора (TCR) наряду с различными костимулирующими молекулами, что приводит к продукции достаточного количества АТФ для удовлетворения энергетических потребностей пролиферации и эффекторных функций Т-клеток [20]. Т-клетки в TME часто демонстрируют маркеры истощения и обладают отличительными метаболическими сигнатурами, включая снижение поглощения глюкозы и гиперрегуляцию активных форм кислорода (ROS) [21]. Эти метаболические отклонения можно обойти и частично восстановить активацию опухоль-инфильтрирующих CD8+ Т-клеток (TIL) добавлением пирувата и нейтрализацией ROS [21]. Эти сообщения предполагают, что опухолевые метаболические среды могут изменять регуляцию, функцию и распознавание опухолевых антигенов Т-клеток, приводя к неадекватным противоопухолевым ответам.
Аккумуляция лактата и углекислого газа может эффективно перепрограммировать метаболические потенциалы опухолевых клеток, включая повышенное поглощение нутриентов и глюкозный метаболизм и благоприятствовать дифференцированию Treg путем ингибирования инфильтрации эффекторными Т-клетками в TME [22, 23]. Гипоксические состояния в результате повышенного опухолевого роста и депривации кислорода также стабилизируют экспрессию гипоксия-индуцибельного фактора 1-α (HIF1-α), который, в свою очередь, опосредует индукцию экспрессии FoxP3 и способствует стабильности Treg [24, 25].
Метаболизм в опухолевой микросреде
Опухолевые клетки характеризуются способностью адаптироваться к изменению среды, используя различные нутриенты для удовлетворения своих анаболических потребностей [3]. Эта устойчивая потребность в энергии достигается адекватными поставками нутриентов и кислорода благодаря опухолевой сосудистой сети [26]. В отличие от нормальных клеток, злокачественные клетки в ходе быстрой неконтролируемой пролиферации обладают более высокой метаболической пластичностью и способны переформатировать среду даже в нутриент-деприватных условиях [27].
Эта пластичность оказывает глубокое влияние на дифференцирование опухоли и экспрессию генов в TME [27]. Опухоль-ассоциированные метаболические модификации можно классифицировали в шесть групп: (1) дерегуляция метаболизма глюкозы и аминокислот, (2) альтерации поглощение нутриентов, (3) утилизация интермедиатов из цикла лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот)/ гликолиз для биосинтеза никотинамидадениндинуклеотидфосфата (NADPH), (4) повышенный потребность в азоте, (5) вариации в регуляции метаболит-зависимой экспрессии генов и (6) взаимодействия между метаболическими путями в TME [27].
Быстро пролиферирующие раковые клетки модифицируют метаболические компоненты TME. Например, злокачественные клетки поглощают большее количество глюкозы, что приводит к биосинтезу большого количества лактата, что может влиять на многие клеточные популяции в TME [28]. Более высокая аккумуляция лактата создает иммуногубительную среду, редуцируя активацию дендритных и Т-клеток и миграцию опухоль-ассоциированных макрофагов/моноцитов [28, 29]. Более того, избыточная аккумуляция лактата поляризует резидентные макрофаги в высокоактивированный/иммуносупрессивный статус М2 и способствует ангиогенезу [30, 31]. Избыточные уровни лактата также благоприятствуют биосинтезу гиалуроновой кислоты фибробластами, способствуя более высокой инвазивности опухоли [32].
Гипоксия-индуцибельный фактор 1-α (HIF-1α) является ключевым транскрипционным фактором гипоксических клеток, характерным признаком TME и таргетирует глюкозный транспортер-1 (GLUT-1) [33]. В гипоксических условиях более высокое поглощение глюкозы раковыми клетками может гиперрегулировать стабильность HIF-1α, что, в свою очередь, приводит к ослаблению противоопухолевого иммунного ответа [34]. В мышиных моделях с нокаутом HIF-1α противоопухолевые иммунные ответы CD8+ TIL улучшаются благодаря активации сигналинга пероксисома-активируемого рецептора α (PPARα), а также повышенного метаболизма жирных кислот [35]. HIF-1α промотирует миграцию Treg в TME, гиперрегулируя гликолиз и окисление жирных кислот (FAO) в TME [36]. Действительно, HIF-1α-дефицитные Treg демонстрируют снижение гликолитически-драйверной миграции Treg и окисление жирных кислот-драйверную иммуносупрессию, что, в свою очередь, активирует противоопухолевые иммунные ответы CD8+ TIL [36].
Глюкозный метаболизм — основной источник энергии Т-клеток для их поляризации по отношению к опухолевый антиген-специфическим эффекторным Т-клеткам. В TME дефицит глюкозы для Т-клеток влияет на их дифференцирование в эффекторные Т-клетки. Среда с низким содержанием глюкозы может ослаблять гликолиз Т-клеток вследствие снижения сигналинга серин/треонин-протеинкиназы (AKT) и индукции апоптоза TIL через гиперрегуляцию проапоптотических протеинов [20]. Эта метаболическая микросреда может также промотировать поляризацию наивных CD4+ TIL в периферически индуцированные Treg [37]. Стимулирование дифференцирования Treg и их супрессивных характеристик опосредуется метаболическими интермедиатами, включая кинуренин и триптофан [38]. В солидных опухолях гиперэкспрессия триптофан-деградирующих ферментов, включая индоламин-2,3-диоксигеназу (IDO1) и триптофан-2,3-диоксигеназу (TDO2), катализирует триптофан в его производное кинуренин [38]. Это истощение триптофана ассоциировано с апоптозом эффекторных Т-клеток, в TME [39]. Кроме того, кинуренин способствует миграционным и иммуносупрессивным характеристикам Treg в арилуглеводородный рецептор (AhR)-зависимой манере [40]. Суммарный эффект метаболизма в TME показан в Фиг. 1а.
Фиг. 1. Метаболические эффекты в TME (a). Опухолевые клетки потребляют большую часть глюкозы и ускоряют гликолиз, приводя к аккумуляции лактата. Высвобождаемый клетками лактат может влиять на клеточные типы в TME, активируя множественные процессы выживания и пролиферации опухолевых клеток и индуцируя различные клеточные и молекулярные события, включая гиперрегуляцию гиалуроновой кислоты в TME и благоприятствование миграции опухоли (1); активацию неиммуносупрессивных макрофагов (M1) в immunoсупрессивные M2 (2); гиперрегуляция HIF-1α на Treg может ингибировать OXPHOS и PPARα сигналинг и способствует миграции Treg в TME (3); ингибирование AKT сигнальной сети и индуцирование апоптоза активированных Т-клеток (4); промотирование ангиогенеза и метастазирования (5); поляризацию конвекциональных Т-клеток на pTreg благодаря гиперрегуляции TGF-β, HIF-1α, IL-10 и ингибирования пути AKT/mTOR (6). Генерация pTreg в TME (b). В гипоксической TME HIF-1 связывается с HRE (hypoxia response element) опухолевых клеток и активирует секрецию TGF-β. Секретируемый TGF-β также способствует экспрессии HIF-1, ингибируя фермент деградации HIF-1 PDH2. Кроме того, секретируемый TGF-β связывается с когнантным рецептором на pTreg и инициирует сигнальные пути, включая фосфорилирование SMAD3, связывание фосфо-SMAD3 с SMAD4, задействование CBP/p300 и связывание этих комплексов с промотером FoxP3 для индукции экспрессии FoxP3. PD-L1 также является мишенью HIF-1, который может связываться с PD-1 на Т-клетках. Взаимодействие PD-1/PD-L1 может активировать дефосфорилирование PI3K и блокировать путь AKT/mTOR. Эта сигнальная сеть помогает стабилизировать экспрессию FOXP3. Более того, опухоль-дериватные экзосомы могут активировать путь JAK/STAT3 и способствовать гиперрегуляции IL-10. В целом, гипоксическая TME способствует поляризации обычных Т-клеток на pTreg благодаря множественным сигнальным каскадам.
Treg в опухолевой микросреде
Treg являются ключевыми иммуносупрессивными игроками, которые препятствуют противоопухолевым иммунным ответам в TME [41]. В TME происходит взаимодействие между Treg и другими иммунными клетками, стромальными клетками и опухолевыми клетками для поддержания гипоксической, проангиогенной и иммуносупрессивной среды [4, 8]. Опухоль-инфильтрирующие Treg в первую очередь включает терминально дифференцированные и сильно супрессивные эффекторные Treg FoxP3high [42]. Однако гетерогенность Treg влияет на исход заболевания в различных карциномах. Аккумуляция FoxP3+ Treg в TME сопровождается более высоким соотношением Treg к эффекторным Т-клеткам (Teff) и более низкими уровнями наивных Т-клеток и ассоциирована с худшими исходами заболевания в различных злокачественных опухолях [43]. Однако повышенные уровни опухоль-инфильтрирующих Treg также ассоциируются с хорошим прогнозом в некоторых канцерах, таких как колоректальный (CRC) и гастроинтестинальный рак [8]. Это может быть связано со способностью Treg супрессировать воспаление на начальных стадиях, ассоциированное с прогрессированием заболевания этих карцином. Более того, это несоответствие также может быть связано с инфильтрацией несупрессивных, CD45RA-FoxP3Low не-Treg [44]. Важно отметить, что у CRC пациентов с высоким уровнем эффекторных Treg прогноз был хуже, в то время как о лучшем прогнозе сообщалось у CRC пациентов с преимущественно более высоким уровнем не-Treg, у которых также были высокие mRNA уровни TGF-β, TNF-α и IL-12 [45].
Treg задействуются в TME различными хемокинами, включая CCR4/8/10 и CCL9/10/11 [8, 46], и распространяются в TME в ответ на различные опухоль-дериватные факторы [8]. Высокие уровни IL-10, TGF-β и аденозина в TME способствуют экспансии естественных/тимусных Treg (nTreg) и генерации периферических Treg (pTreg) [47, 48]. Однако остается неясным, перемещаются ли Treg в TME в опухоли или распространяются из ткань-резидентных Treg [49]. В раке поджелудочной железы Treg являются ключевым источником TGF-β, а их истощение может репрограммировать популяции фибробластов и приводить к опухолевому прогрессированию [50]. Истощение Treg также приводит к гиперрегуляции CCL3, CCL6 и CCL8, и задействованию иммуносупрессивных миелоидных клеток в TME для благоприятствования опухолевому прогрессированию [50]. Анализ репертуара TCR циркулирующих, ткань-резидентных и опухоль-инфильтрирующих Treg показал небольшое совпадение с некоторыми отчетливыми признаками опухоль-инфильтрирующих Treg [51]. По сравнению с кровообращением или лимфатическими узлами, опухоль-инфильтрирующие эффекторные Treg FoxP3high высоко активируются и экспрессируют высокие уровни активационных молекул, включая CD25, ICOS, PD-1, CTLA-4, OX40, GITR и TIGIT [41, 52].
Опухоль-инфильтрирующие Treg супрессируют пролиферацию других популяций эффекторных Т-клеток благодаря контакт-зависимым механизмам и контакт-независимым механизмам, прежде всего за счет секреции IL-10 и TGF-β [4]. Секреция IL-10 и TGF-β супрессирует IFNγ и IL-2, необходимые для активации и выживания Т-клеток в TME [53, 54]. Секреция IL-35 Treg ведет к ингибированию Т-клеточной пролиферации в TME [55]. CTLA-4 представляет собой гомолог CD28 и конститутивно экспрессируется на Treg [56]. Взаимодействия между CTLA-4 и CD80/86 на APC предотвращают костимулирующие сигналы от CD28 для активации Т-клеток, что приводит к ингибированию пролиферации и высвобождению цитокинов эффекторными Т-клетками в TME [57]. Экспрессия LAG-3 на опухоль-инфильтрирующих Treg и взаимодействия с MHC II класса приводят к нарушению созревания DC и ингибированию пролиферации популяций эффекторных Т-клеток [58].
Взаимодействия MHC класса II также затруднены вследствие повышенной экспрессии нейропилина-1 (NRP1) на Treg, который повышает супрессивную активность и блокирует взаимодействия между APC и эффекторными Т-клетками благодаря взаимодействию между DC и Treg [59, 60]. Наконец, экспрессия гранзима и перфорина опухоль-резидентными Treg индуцирует клеточную смерть цитотоксических Т-клеток и NK в TME на мышиных моделях [61].
Помимо иммунных функций Treg в TME, их потенциальная неиммунологическая роль в поддержке опухолевого прогрессирования включает поддержку ангиогенеза, опухолевый рост/пролиферацию и переход к метастазированию [62-65]. Уровни Treg в TME коррелируют с высокими уровнями VEGF [66] и промотируют ангиогенез, супрессируя эффекторные Т-клетки и высвобождение TNFα и IFNγ наряду с другими хемокинами, такими как CXCL9, 10 и 11 [62]. В мышиных моделях истощение CD25+ Treg повышает противоопухолевые ответы, что коррелирует с уменьшением объема опухоли [67]. Другие группы выявили вероятные пути, на которые влияют опухоль-инфильтрирующие Treg в поддержании инвазии и метастазирования при различных типах рака. Например, Treg промотируют инвазию и метастазирование клеток молочных желез благодаря активации RANKL (receptor activator of nuclear factor-κB ligand) [11], и опухоль-инфильтрирующие Treg способствуют инвазии гепатоцеллюлярной карциномы благодаря эпителиально-мезенхимальному транзиту, индуцированному секрецией TGF-β1 [68].
Вследствие многогранной роли в опухолевом развитии и прогрессировании различных типов рака опухоль-инфильтрирующие Treg являются ключевыми мишенями для множества терапевтических стратегий, направленных на противодействие иммуносупрессии и промотирование иммунной стимуляции для достижения клинического успеха.
Метаболические пути, изменяющие функцию Treg в гипоксической TME
TME представляет собой динамическую нишу, оркестрируемую гетерогенной метаболической активностью клеток с вариабельной васкуляризацией, которые генерируют области градиентной гипоксии. Метаболические признаки включают гликолиз, окислительный стресс, OXPHOS, FAO, эффект Варбурга и аминокислотный метаболизм, которые могут влиять на поведение и функцию Treg.
Выживание Treg в TME
Метаболическая адаптация в TME благоприятствуют выживанию Treg во враждебной среде. Treg имеют низкую мембранную экспрессию глюкозного транспортера GLUT-1 наряду с повышенной активностью окисления липидов по сравнению с другими эффекторными Т-клеточными субсетами [37]. Treg и Teff демонстрируют различные метаболические паттерны; первые требуют гликолиза, а вторые нуждаются в окислении липидов для своего выживания и функционирования [37]. Treg выгодно зависят от FAO и OXPHOS, особенно в среде с низким содержанием глюкозы и высоким содержанием лактата с повышенным соотношением NAD/NADH [37]. С другой стороны, фармакологическое ингибирование AMPK/липидного метаболизма с Etomoxir может снизить генерацию Treg in vitro [37]. Это метаболическое предпочтение регулируется экспрессией Treg-транскрипционного фактора FoxP3, который дополнительно подавляет гликолитические ферменты и экспрессию Myc [69].
Миграция Treg в TME
Продолжение следует
