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肿瘤源性外泌体与NK细胞的功能障碍

2022-03-25 11:48
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前言

癌细胞主动释放多种可溶性生物分子,如细胞因子、趋化因子和生长因子,以建立肿瘤微环境。在过去的几十年中,细胞外囊泡,特别是外泌体,被认为是癌细胞与基质细胞和远处细胞沟通的重要工具。新证据表明,肿瘤源性外泌体(TDE)包含多种分子成分,包括脂质、膜相关蛋白、长非编码RNA(lncRNAs)和miRNAs,它们参与肿瘤形成和侵袭的几个过程,包括血管生成、增殖和生长、转移和免疫逃逸。

大量研究表明,来源于肿瘤细胞的外泌体通过损害DC、NK细胞和T细胞的功能破坏抗肿瘤免疫。其中,NK细胞被认为是恶性细胞转化的第一层防御,而肿瘤细胞可以通过不同的机制抑制NK细胞的功能,其中肿瘤外泌体在NK细胞功能障碍中起着关键作用。

TDEs可被NK细胞吸收或通过受体-配体相互作用诱导下游信号,从而下调其抗肿瘤活性。此外,肿瘤外泌体含有多种表面配体和生物分子,可干扰NK细胞的募集、细胞因子的产生、分子表达和细胞溶解活性。因此,了解TDEs在NK细胞功能障碍中的作用,对以NK细胞为基础的肿瘤治疗具有重要的临床意义。

外泌体概述

1981年,外泌体首次被描述为由不同细胞类型在体外分泌的纳米囊泡,其脂质成分不同于质膜,表明与简单的膜出芽相比,其来源不同且更复杂。外泌体几乎可以由所有类型的细胞分泌,包括免疫细胞、血液细胞、神经元细胞、上皮细胞以及癌细胞。它们含有通过生物发生过程从原始细胞中保留下来的蛋白质。

外泌体最终可进入循环,并已在多种生物液体(如血液、尿液、唾液或母乳)中检测到,也可在恶性积液(如胸水和腹水)中检测到。已有研究表明,外泌体还可以包含miRNA、信使RNA,甚至长的非编码RNA,它们显著参与外泌体的调节作用。              

         

外泌体的生物活性物质可以通过两种主要方式影响受体细胞的代谢。第一种是外泌体表面蛋白与靶细胞受体的直接相互作用。第二种是内容物的内化,在与目标细胞的质膜融合后,或通过内吞、巨噬细胞吞噬。外泌体具有重要的临床意义,尤其是在肿瘤中。

TDEs对NK细胞功能的影响

TDEs可通过质膜融合、内吞、吞噬、微胞饮和脂筏介导的内化被各种细胞(优先是免疫细胞)吸收。多个研究结果表明,肿瘤外泌体可以通过与细胞膜融合将其内容物输送到NK细胞中,从而阻碍其抗肿瘤功能。

TDEs调节NK细胞的募集和迁移

有证据显示,TDE积极影响癌症和免疫细胞的募集和迁移,以建立肿瘤微环境和转移生态位。先前的一项研究表明,肿瘤外泌体介导MDSC的迁移,并以CCL2依赖的方式促进小鼠乳腺癌细胞(4T1细胞)向肺的转移。最近的一项研究表明,从AML患者分离的外泌体可以显著减少NK-92细胞向肿瘤细胞的迁移。进一步的蛋白质组分析显示,与从健康供体获得的外泌体相比,AML外泌体在CXCL4、CXCL7和CCL5方面高度富集。

TDEs影响NK细胞的增殖和存活

多项研究支持TDEs主要通过下调免疫细胞的增殖和存活来促进肿瘤进展。在一项探索肿瘤外泌体对NK细胞增殖和存活的影响的先驱研究中,发现用小鼠乳腺癌(TS/a细胞)外泌体预处理可减少体外NK细胞的数量和百分比。随后的研究发现,不仅TS/a外泌体,包括来自MDA231(人类乳腺癌)、A2058(人类黑色素瘤)和4T1(小鼠乳腺癌)细胞系的外泌体都可以显著阻止IL-2诱导的NK细胞增殖。

对IL-2R下游信号通路的研究表明,经TDEs处理后,NK细胞中p42/p44和Akt(PI3K的底物)的活性没有改变。然而,观察到磷酸化STAT5水平降低,外泌体能够抑制Jak3的表达,STAT5磷酸化的降低取决于TDEs的浓度。同样,在用肿瘤外泌体处理的NK细胞中,也观察到细胞周期蛋白D3及其底物Rb磷酸化水平的剂量依赖性降低。

TDEs改变NK细胞的细胞溶解活性

最近的研究表明,除了减少NK细胞数量外,肿瘤外泌体也是在肿瘤环境中降低NK细胞溶细胞活性的候选物。已经证明,用AML外泌体处理NK-92细胞可显著抑制其对K562细胞的细胞毒性。同样,经胰腺癌衍生的外泌体预处理的NK细胞对胰腺癌干细胞的细胞毒性降低。其他研究口腔癌来源的外泌体的结果显示,与NK细胞在短时间内共同孵育后,NK细胞的口腔癌细胞杀伤作用可能会增加,但是通过增加孵育时间,NK细胞的细胞毒性显著降低。这些发现表明,尽管TDEs可能在短时间内刺激NK细胞的细胞毒性,但长时间暴露于TDEs可抑制其细胞溶解功能,导致免疫逃逸和癌症进展。

TDEs调节NK细胞产生细胞因子

TNF-α和IFN-γ是活化NK细胞产生的两种主要细胞因子,协调抗肿瘤免疫反应。胆管癌的外泌体被发现显著抑制NK细胞分泌TNF-α,降低其抗肿瘤功能。类似地,与胰腺癌衍生外泌体共同培养的NK细胞在TNF-1和IFN-γ产生方面有显著降低,表明肿瘤外泌体可影响NK细胞细胞因子的产生。

TDEs改变NK细胞的受体和分子表达模式

已知NK细胞的功能受到激活和抑制性受体的严格调控。NKG2D和NKp30、NKp44、NKp46是NK细胞上重要的激活受体,它们的表达水平决定了NK细胞的抗肿瘤能力。另一方面,NKG2A(NK细胞最重要的抑制性受体之一)的表达与其抗肿瘤活性呈负相关。

事实上,肿瘤细胞利用不同的机制操纵NK细胞上这些分子的表达,从而改变NK细胞抗肿瘤能力,导致肿瘤进展。TDEs极有可能在受体和分子表达的改变中发挥作用,从而导致肿瘤相关NK细胞功能障碍。最近,研究人员调查了口腔癌源性外泌体(OCEX)对NK细胞NKG2D、NKp30、NKp44、NKp46和NKG2A表达的影响,发现OCEX在给予后24小时内显著上调NK92MI细胞上激活受体(NKG2D、NKp30、NKp44和NKp46)的表达,而NKG2A的表达在同一时间显著降低。进一步的实验显示,在7天的时间内,NK细胞上激活受体的表达逐渐减少,而在这段时间内,未观察到NKG2A表达的显著变化。由于肿瘤不断向周围微环境和循环释放外泌体,因此NK细胞更可能持续暴露于肿瘤外泌体,最终导致NK细胞的细胞毒性功能丧失。

TDEs介导NK细胞功能障碍的分子基础

肿瘤外泌体可通过多种机制主动诱导免疫抑制。其表面的各种免疫抑制蛋白以及TDE的脂质和RNA(miRNA、lncRNA等)含量可影响免疫细胞,包括NK细胞。

NKG2D的配体(MICA/B和ULBP1-6)

NK细胞持续暴露于肿瘤细胞表面表达的配体已被证明会导致NK细胞异常。研究表明,激活NKG2D的配体MHC I类相关链(MIC)A和MICB可以从肿瘤细胞中脱落,它们在患者血浆中的存在与受损的NK细胞反应和疾病进展密切相关。MICA和MICB在肿瘤外泌体中的存在已被证实,因此,外泌体MICA/B可能能够改变NKG2D表达,已经发现AML外泌体富含膜相关MICA/MICB,被认为是NKG2D下调和伴随NK细胞毒性降低的原因。

其它研究发现肿瘤细胞也释放外泌体ULBP3,与可溶性ULBP2相比,外泌体ULBP3对NKG2D下调更有效,限制了NK细胞的细胞毒性活性。这些结果可能部分解释了白血病/淋巴瘤患者临床观察到的NK细胞功能障碍,提示NKG2D的外泌体配体在肿瘤相关NK细胞异常中起着关键作用。

TGF-β

众所周知, TGF-β参与免疫反应调节的广泛过程,它对包括NK细胞在内的免疫细胞具有抑制作用。最近的研究表明,肿瘤外泌体也携带高水平的膜相关TGF-β,其可诱导与其可溶性对应物类似的免疫抑制作用。目前有多份研究报告显示,从AML和透明细胞肾细胞癌(ccRCC)患者或间皮瘤细胞分离的外泌体含有显著高水平的成熟TGF-β。

此外,由于低氧肿瘤微环境已被证实调节TGF-β信号传导和外泌体内容物装载,研究人员还研究了低氧是否会影响非小细胞肺癌(NSCLC)衍生外泌体上NK配体和TGF-β的表达。尽管未观察到NK配体表达的显著变化,但有趣的是,与常氧肿瘤细胞相比,从缺氧细胞分离的TDEs有显著更高的TGF-β水平。

腺苷与糖代谢

腺苷(ADO)是公认的免疫细胞功能抑制剂。研究表明,在存在携带CD39/CD73的肿瘤外泌体的情况下,NK细胞能够从外源性ATP产生ADO。并且由于NK-92细胞携带A2AR,ADO激活NK-92细胞上A2AR的自分泌信号很可能部分导致NK-92细胞的功能丧失。

此外,营养素摄取和葡萄糖代谢对NK细胞的正常反应也很重要。CD71(转铁蛋白受体)、CD98(大型中性氨基酸转运体)和2-NBDG是NK细胞三个常用的代谢参数。然而,胰腺癌细胞衍生的外泌体可显著降低NK细胞中CD71和CD98的表达及其葡萄糖摄取能力。

Fas-L、survivin、B7-H3和PD-L1

越来越多的证据表明,TDEs含有大量的膜相关蛋白,这些蛋白在肿瘤免疫逃逸中起着至关重要的作用。一些研究表明,携带Fas-L的TDE可诱导CD8+T细胞凋亡。在一项关于淋巴瘤的研究中,发现淋巴瘤衍生的外泌体富含Fas-L和Survivin,研究结果显示,使用淋巴瘤衍生的外泌体可下调NK细胞上NKG2D的表达,并降低穿孔素、颗粒酶B、TNF-α和IFN-γ的蛋白水平,这可能是Fas-L/Survivin依赖性的。

B7-H3是B7家族蛋白的一个成员,是另一个检查点分子,已被证明可在多种肿瘤中具有免疫抑制作用。人们发现,胶质母细胞瘤细胞通过外泌体方式分泌B7-H3,从而抑制NK介导的肿瘤溶解。此外,大多数TDE的最新研究指出,外泌体在通过PD-L1/PD1轴的肿瘤免疫逃逸中也起着重要作用。

RNA

除蛋白质外,TDE还含有可被其他细胞(包括NK细胞)吸收并改变其功能的mRNA、microRNA和lncRNAs。研究发现肝癌来源的外泌体含有高水平的miR-92b,含有miR-92b的外泌体可显著诱导NK-92细胞中的miR-92b表达,表明肿瘤可以通过外泌体主动将抑制性生物分子(包括miRNA)转移至浸润性NK细胞。通过TDEs转移miR-92b可显著抑制NK-92细胞上CD69的表达,并降低其对亲代Hep3B肿瘤细胞的细胞毒性。此外,发现miR-92b的过度表达与肝癌细胞系的迁移增强有关。

小结

从迄今为止TDEs对NK细胞影响的研究中可以清楚地看出,肿瘤外泌体是肿瘤免疫抑制的重要参与者。TDEs通过多种机制和内容物分子参与肿瘤NK细胞的功能障碍。因此,深入了解TDE介导的NK细胞功能障碍的病理作用和机制,我们将能够进一步提高NK细胞以及其他免疫疗法在治疗癌症方面的治疗潜力。

参考文献:

1.Cancer exosomes and natural killer cellsdysfunction: biological roles, clinical significance and implications forimmunotherapy. Mol Cancer. 2022; 21: 15.

       原文标题 : 肿瘤源性外泌体与NK细胞的功能障碍

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