基于細胞焦亡機制的腫瘤免疫治療新策略

張俊文，蘇延軍，李西川（.天津師范大學 生命科學學院 天津市動植物抗性重點實驗室，天津 300387；.天津醫科大學腫瘤醫院 肺部腫瘤科 天津市腫瘤防治重點實驗室，天津 300060）

細胞焦亡作為一種溶解性和炎癥性的調節性細胞死亡方式，其特征是細胞的腫脹和裂解，并伴有IL-1β、IL-18、ATP 和高遷移率族蛋白B1（high mobility group box 1，HMGB1）等多種促炎因子的釋放[1-3]。通過由caspase-1 或caspase-4/5/11 誘導的GSDMD 依賴性途徑、或由caspase-3 誘導的GSDME依賴性途徑可以激活細胞焦亡。腫瘤患者體內的細胞焦亡經常會出現免疫細胞焦亡（immune cell pyroptosis,ICP）和腫瘤細胞焦亡（cancer cell pyroptosis,CCP）共存的現象，兩者共同影響著腫瘤的發生發展[4]。腫瘤患者機體內發生的細胞焦亡，可以促進或抑制腫瘤免疫，這個過程受到發生焦亡的細胞類型、焦亡強度、持續時間等多種因素的影響[5-6]?；诖?，充分了解細胞焦亡與腫瘤免疫之間的關系，可能為抗腫瘤免疫治療提供一種有良好前景的新方法。

1 腫瘤患者體內同時存在ICP和CCP

腫瘤的發生、發展、轉移及耐藥與復雜的腫瘤微環境息息相關，腫瘤微環境又與腫瘤細胞及免疫系統相互關聯[7]。近年來多項研究[8-9]表明，腫瘤細胞的焦亡會引起大量CD4+和CD8+T細胞的浸潤，引發急性炎癥，增強抗腫瘤免疫。但當ICP 時，瘤內或瘤周會浸潤、積聚大量免疫細胞，導致慢性炎癥，從而抑制抗腫瘤免疫，并加速血管生成因子和生長促進因子的分泌，促進腫瘤的生長[10-13]。

近年來，基于免疫檢查點抑制劑（immune checkpoint inhibitor,ICI）的腫瘤免疫治療在臨床上取得了可喜的進展，然而僅有三分之一的患者對相關藥物有響應?；诩毎雇隹梢栽诼曰蚣毙匝装Y中激發T細胞，人們可以通過誘導細胞焦亡與ICI聯合協同增強抗腫瘤活性。有研究[5,9]表明，免疫檢查點阻斷不僅可以在高表達GSDM蛋白的腫瘤中增強抗腫瘤免疫，同時在具有特定瘤內微生物特征的腫瘤中也能增強抗腫瘤免疫[7]。ICP與CCP在腫瘤發生或臨床治療過程中同時發生，其臨床結果取決于免疫抑制因子與免疫激活因子的競爭。越來越多的研究表明，細胞焦亡過程中涉及的慢性或急性炎癥反應與抗腫瘤免疫密切相關，這在臨床上具有巨大的潛在應用價值。

2 ICP對抗腫瘤免疫的影響及其機制

焦亡最初是在巨噬細胞中發現的，其可以通過釋放免疫原性細胞成分（包括損傷相關分子模式和細胞因子）來觸發抗炎反應，從而對疾病進行防御[14]。除了腫瘤，心血管疾病、神經退行性疾病、艾滋病和糖尿病等疾病的病變組織也可能通過釋放各類細胞因子而促進細胞焦亡發生。

2.1 ICP的分子機制

炎癥小體（inflammasome）是免疫細胞在胞質內合成的一種大型多蛋白信號復合物，它是固有免疫系統中最重要的組成部分，主要包括NLRP3、NLRP6和NLRP4[15-16]。免疫細胞可以通過炎癥小體激活caspase-1或通過脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）激活caspase-4/5/11兩種方式切割GSDMD，進而誘導焦亡的發生，并引起炎癥性反應[4,17-18]。在caspase-1 經典通路中，炎癥小體通過模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR）識別病原體相關分子模式（pathogen-associated molecular pattern，PAMP）和損傷相關分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）并激活caspase-1，隨后水解GSDMD并促進IL-18表達。GSDMD-N末端結構域在細胞膜上聚集成孔，導致細胞的裂解和IL-18等內容物的釋放，這會向周圍免疫系統發出潛在危險的警報，這些信號被PRR 識別，從而激活隨后的免疫應答[19-21]。而在非經典通路中，LPS 等致炎因素直接活化caspase-4/5/11，隨后剪切激活GSDMD 并形成GSDMD-N 端結構域，最終使細胞膜破裂[22-23]。有研究發現活化的caspase-4/5/11可通過活化pannexin-1等通路調控炎癥介質分泌至胞外，這說明GSDMD是炎癥小體誘導焦亡的主要底物[24]。通過切割GSDMD 而導致細胞裂解，從而引發焦亡形成之后的炎癥反應[25]。

研究表明，受不同因素的影響，免疫細胞可以通過不同的信號通路發生焦亡，并引發不同的炎癥反應；同時，細胞焦亡的負反饋調節機制又限制了炎癥的過度反應，從而確保其在腫瘤發生或病原體感染期間能夠維持免疫穩態。相關信號通路如圖1所示。

圖1 ICP相關的信號通路

2.2 ICP對抗腫瘤免疫的影響

近年來，利用免疫系統殺死腫瘤細胞的焦亡介導療法越來越受到關注。炎癥小體介導焦亡的激活改變了免疫微環境，腫瘤細胞可以適應免疫微環境，并通過逃避免疫監視來促進腫瘤的發生發展[26]；而焦亡產生的細胞因子召集免疫細胞并激活免疫系統，從而提高了腫瘤免疫治療的效果。

2.2.1 炎癥小體介導的焦亡促進腫瘤發展 IL-1β會促進血管內皮生長因子A（VEGFA）表達和血管生成，從而將MDSC吸引到腫瘤微環境中，這類細胞能增強腫瘤的發生轉移和淋巴管生成，并能抑制化療藥物的抗腫瘤作用[24,27-28]。NLRP3可以激活IL-1β，這與頭頸部鱗狀細胞癌的抗腫瘤免疫反應和腫瘤發展相關[29]。NOD 樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（NODlike receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)還可以通過胰腺癌的免疫耐受促進腫瘤的發生[30]。其他的研究[31]表明，NLRP3可以促進IL-1β的分泌，抑制TME中T細胞反應，從而促進黑色素瘤細胞的增殖。NLRP3 炎癥小體通過調控周期蛋白cyclin D1，誘導IL-1β生成，進而促進胃癌細胞的分化[32]。

炎癥小體觸發caspase-1 介導的焦亡發生和促炎因子的釋放，從而形成一個慢性炎癥環境，尤其包括IL-18和IL-1β[15,33-34]，這可能有助于腫瘤細胞逃避宿主的免疫反應，導致免疫抑制從而促進腫瘤發展。這表明克服腫瘤細胞逃避免疫表型可能是癌癥治療的一種新策略。

2.2.2 細胞因子IL-18介導的焦亡抑制腫瘤發展 IL-18是IL-1 超家族的多效性細胞因子，其主要來源于巨噬細胞、DC、上皮細胞、成纖維細胞等多種免疫和非免疫細胞。IL-18在細胞內是以非活性前體（pro-IL-18）形式存在，當炎癥小體中的caspase-1被多種類型病原體或危險信號激活時，可切割pro-IL-18，產生相應具有活性的成熟形式。近年來的多項研究[35-37]表明，IL-18 可降低腫瘤發病率、殺死轉移部位腫瘤細胞，在腫瘤預防和治療中發揮重要作用。它能夠促進Th1細胞產生IFN-γ，增強巨噬細胞的抗腫瘤活性，保護腸道免受損傷，防止腸道炎癥。IL-18主要是通過促進腫瘤浸潤T 細胞的分化及激發其活性來發揮對炎癥依賴性腫瘤的抑制作用[38]。

2.2.3 靶向炎癥小體介導的焦亡抑制腫瘤發展 近年來，已進行多項研究來探索炎癥介導焦亡的控制方法，以抑制腫瘤的發展。目前研究[39]發現，靶向藥物姜黃素可以上調NLRP3，抑制caspase-1的活性和焦亡的發生，并抑制組織中的炎癥，從而產生抗腫瘤作用。除NLRP3抑制劑外，科研人員還探索了IL-1、IL-1β和IL-1α阻斷療法來抑制腫瘤的發展?？菃慰故且环N與IL-1β結合并抑制其生物學功能的單克隆抗體，可顯著降低肺癌的發病率和病死率[40]。此外，IL-1抑制劑anakinra可顯著抑制骨腫瘤的發展[41]。

總的來說，靶向炎癥小體介導的焦亡可能是抑制腫瘤發生的一種潛在方法，然而，這些細胞因子在該背景下的功能及其控制方法尚未完全闡明。因此，需要開展進一步的研究，探討炎癥小體介導焦亡的作用機制及其在人類抗腫瘤免疫治療中潛在的作用。

3 CCP對抗腫瘤免疫的影響及其機制

腫瘤細胞內由GSDM蛋白介導的焦亡常伴有炎癥和免疫應答。其中，CTL分泌多種細胞因子參與免疫反應，與NK 細胞構成機體抗腫瘤免疫的重要防線。近年來，越來越多的研究者聚焦于CCP在抗腫瘤免疫中的作用。

3.1 CCP的分子機制

以往對CCP的研究[5,9,42-44]表明，CCP具有與ICP截然不同的分子機制。其一，在GSDM 充分表達的腫瘤細胞中，典型誘導凋亡的因子也會誘導焦亡發生；其二，caspase 酶的活化與誘導焦亡不需要炎癥小體；其三，凋亡而非炎癥的caspase 參與了GSDM 的裂解；其四，腫瘤細胞在其他活性蛋白酶（如顆粒酶）的存在下會釋放GSDM 末端結構域；其五，只有極少的IL-1β 成熟和釋放時發生焦亡。因此，CCP 沒有完全統一的誘導途徑，但是，充分表達可切割的GSDM蛋白的活性蛋白酶是必需的（圖2）。

圖2 CCP相關的信號通路

3.2 CCP對抗腫瘤免疫的影響

隨著人們對焦亡介導的免疫反應認知的不斷深入，誘導焦亡殺死腫瘤細胞的療法在臨床上取得初步成效。腫瘤環境中由焦亡引起的急性炎癥可通過免疫細胞和免疫因子的激活來刺激腫瘤免疫系統，從而提高腫瘤免疫治療的效果[45]。

3.2.1 CCP 可提高腫瘤免疫療法的療效 近年來人們發現，腫瘤抑制水平與抗腫瘤免疫的激活有關。WANG等[8]建立了可以觸發局部CCP的模型，在這個模型中，免疫細胞數量顯著增加，腫瘤中的趨化因子或抗腫瘤效應基因上調，而編碼腫瘤前體或免疫抑制的基因下調，表明CCP激活了強大的抗腫瘤免疫。紫杉醇和順鉑等化療藥物通過誘導焦亡而有效抑制腫瘤細胞增殖和轉移[5,46-47]。鑒于此，FAN等[48]將地西他濱與化療納米藥物結合來觸發焦亡，導致免疫細胞成熟，從而進一步增強抗腫瘤藥物的免疫效果。根據癌癥免疫圖譜獲得的數據，分析20 種實體瘤的免疫學相關參數以及GSDMD 和GSDME 水平，不難發現，GSDMD和GSDME的表達與大部分實體瘤中的免疫細胞激活有關，如CD8+、CD4+T細胞、DC、NK細胞、巨噬細胞等；同時也與大部分免疫因子有關，如IL-18、IL-1β、TNF等[49]。Gasdermins 蛋白、促炎細胞因子等通過誘導免疫來抑制腫瘤的增殖、轉移，并在克服耐藥性和抗腫瘤免疫中發揮作用。

越來越多的研究表明，CCP介導的腫瘤清除是通過增強免疫激活功能實現的，除通過不同的應激原和細胞凋亡所觸發的CCP之外，一些免疫細胞還可直接誘導CCP，這表明細胞焦亡參與抗腫瘤免疫的正反饋回路。

3.2.2 CCP 與免疫檢查點之間的關系 腫瘤發生過程中存在免疫編輯和免疫抑制，激活免疫系統對腫瘤治療至關重要。ICI 可能對腫瘤新抗原產生促炎癥免疫反應，并持續增強抗腫瘤免疫反應。如PD-1和PD-L1的抑制劑，其可以產生內源性抗腫瘤免疫以抑制腫瘤的發展，目前已在許多癌癥中取得了顯著效果[50]。已發表的臨床試驗結果[51]表明，PD-L1抑制劑與放療或化療相結合可以觸發CCP來殺死癌細胞，較單一療法可以明顯提高患者的生存率[51]。研究結果表明，如果PD-1 或PD-L1 治療是腫瘤治療中的“火源”，那CCP所引起的炎癥就發揮著“助燃劑”的作用，這種作用方式或許為PD-L1 抑制劑和其他抑制腫瘤療法聯合療法的開發提供了理論基礎。

除PD-1 和PD-L1，研究人員還探索了其他可能殺傷腫瘤細胞的潛在免疫檢查點。BRAF-MEK抑制劑可誘發黑色素瘤細胞焦亡，HMGB1的釋放和鈣網蛋白表達增加，激活DC致使T細胞活化和增殖，從而抑制腫瘤生長并延長OS[44]。這些研究結果不僅有助于更好地理解免疫檢查點的作用機制，還將促進其他潛在免疫檢查點的開發，這些檢查點通過觸發焦亡以發揮抗腫瘤活性。

4 細胞焦亡在免疫治療腫瘤中的應用前景

如前文所述，細胞焦亡是一種調節性細胞死亡的炎癥形式，可有效清除惡性腫瘤，增強抗腫瘤免疫。但目前大多數焦亡誘導劑缺乏細胞選擇性，這可能會導致腫瘤治療的嚴重不良反應。因此，迫切需要一種策略來觸發腫瘤細胞特異性焦亡。

4.1 細胞焦亡輔助提高靶向治療的療效

近年來，越來越多的研究證明了通過多種靶向和傳遞方法誘導細胞焦亡并參與抗腫瘤免疫的可行性。一系列針對KRAS、EGFR 或ALK 突變型肺癌的小分子抑制劑，在線粒體固有凋亡途徑激活后，通過caspase-3介導的GSDME裂解誘導焦亡，該研究發現，這兩種調節性細胞死亡途徑相互調節可用于提高抗腫瘤靶向治療的療效。腫瘤細胞還可通過顯著下調GSDM蛋白的表達或突變成非功能性的GSDM蛋白而實現免疫逃逸[9]。這一課題引起了科學家的廣泛興趣。有研究[52-53]發現，納米顆?？梢酝ㄟ^富集效應性T細胞來抑制腫瘤生長和轉移，增強抗腫瘤免疫。也有通過表觀遺傳靶向方案或通過納米技術將功能性的GSDM蛋白輸送到腫瘤細胞的方式來誘導細胞焦亡的發生[8]。目前已有關于載順鉑的腫瘤靶向納米脂質體的應用，該脂質體用于藥物遞送。將地西他濱與化療納米藥物結合，以激活和上調caspase-3/GSDM信號來觸發CCP 的發生。研究[54]發現，通過NPGSDMA3 介導將Phe-BF3 遞送到小鼠的特定乳腺腫瘤細胞中的生物正交系統有助于發揮焦亡的抗腫瘤免疫潛力，表明GSDM 激動劑可輔助提高腫瘤免疫治療的療效。GAO 等[55]利用腫瘤細胞衍生微粒（tumor cell-derived microparticles，TMP）將甲氨蝶呤注入膽管癌組織，以誘導GSDM介導的焦亡，從而激活患者體內的巨噬細胞，并招募中性粒細胞到腫瘤部位進行藥物導向的腫瘤破壞。SU等[56]設計了一種碳酸酐酶錨定錸光敏劑，引發GSDMD 介導的焦亡，增強抗腫瘤免疫，證明焦亡有望成為腫瘤免疫靶向治療的新思路，其GSDM 蛋白的表達直接影響著CCP 的水平及治療效果。

4.2 GSDM蛋白有望成為預后測評的標志物

臨床數據[57]顯示，108例乳腺癌組織和23例癌旁組織中GSDMD 的表達明顯不同，乳腺癌患者GSDMD 的表達水平與臨床分期、腫瘤組織病理分級、腫瘤大小及轉移呈負相關，GSDMD的高表達與患者的OS延長有關。此前，TCGA 甲基化數據分析顯示，GSDME 的甲基化模式在14種不同類型腫瘤組織及正常組織中存在顯著差異[58]。GSDME 在不同的腫瘤中具有獨特的甲基化模式，如子宮癌的低甲基化GSDME-GpGs 頻次最高，而結直腸癌中的高甲基化的GSDME-GpGs 數量最多[59]。GSDME甲基化具有區分不同腫瘤類型的能力，說明GSDME 去甲基化模式可能是泛癌和腫瘤特異性環境中有用的生物標志物。此外，在結直腸癌和正常組織之間發現GSDME-GpGs 存在甲基化差異，據此可以將結直腸癌組織與正常組織區分開來，結果表明GSDME是一種結直腸癌篩查的潛在標志物。

基于GSDM 蛋白的N 端結構域可以在細胞膜上打孔，并作為焦亡的效應蛋白發揮作用。目前已經發現，GSDM蛋白在多種癌癥中表達異常。此外，GSDM蛋白還可能參與腫瘤細胞的生長、侵襲、轉移和化療耐藥，GSDM 蛋白和腫瘤患者的臨床病理特征之間存在關聯，GSDM蛋白有望成為腫瘤診斷、治療干預和預后評判的生物標記物。

5 展 望

作為一種炎癥相關的調節性細胞死亡方式，細胞焦亡在腫瘤中的作用是復雜的，是腫瘤免疫治療中的雙刃劍。一方面，CCP導致炎癥因子釋放和隨后的免疫細胞浸潤，激活TME 并放大免疫治療的效果，但CCP 對下游免疫系統的差異調節尚未得到深入研究；另一方面，ICP 導致的慢性炎癥環境幫助腫瘤細胞逃逸免疫系統，促進腫瘤發展。這充分表明，焦亡是免疫系統和腫瘤之間的橋梁，但其作為抗腫瘤治療靶點的潛力也備受爭議。為了進一步了解焦亡對免疫系統的潛在功能，尚有諸多難點需要深入研究。首先，在腫瘤發生發展過程中誘發焦亡的因素和作用機制尚有待深度探索；其次，焦亡對免疫細胞和免疫反應的調節作用尚不明確，如IL-18的釋放如何被調控、IL-1β的生成如何被抑制等；最后，細胞焦亡與免疫檢查點之間可能存在的相互作用機制也有待闡明。

基于現有的實驗證據，GSDM 蛋白在多種癌細胞中異常表達，有望被開發為腫瘤監測的生物標志物和治療的有效靶點；然而目前人們對GSDM 蛋白的認知只是冰山一角，同樣存在許多科學問題需要解答。首先，不同GSDM 蛋白激活的精確機制是什么？參與GSDM蛋白激活調節的分子有哪些？是否同樣可以成為腫瘤治療的潛在藥物靶點？第二，GSDM 蛋白激活后在細胞質膜上形成的孔道是釋放細胞內促炎細胞因子、DAMP等物質的通道，那么GSDM蛋白孔道如何實現腫瘤細胞與微環境之間的通信？第三，各GSDM 蛋白在不同類型腫瘤細胞中的表達豐度如何？其激活是否具有細胞類型特異性？第四，GSDM 蛋白在不同腫瘤細胞中表達異常的表觀遺傳調控機制是什么？第五，GSDM 蛋白為什么對腫瘤細胞表現出協同或拮抗作用？這些科學問題的闡明，將為GSDM 蛋白在臨床上的開發應用提供理論依據。

總之，焦亡是一種由GSDM 蛋白家族介導的促炎癥細胞死亡方式。焦亡同時具有促癌和抑癌作用，該特性限制了靶向焦亡藥物的研發或/和應用，但焦亡在調節腫瘤免疫微環境中的作用的深入了解擴大了人們對癌癥的理解，增加了對焦亡機制和病理機制的認識，揭示了其在腫瘤發展和治療中的作用。這些發現都將有助于人們在未來不斷探索基于細胞焦亡的腫瘤免疫治療。