魏麗娟 劉俊田 任秀寶

(天津醫(yī)科大學腫瘤醫(yī)院預防醫(yī)學中心/國家腫瘤臨床醫(yī)學研究中心/天津市腫瘤防治重點實驗室/天津市惡性腫瘤臨床醫(yī)學研究中心，天津 300060)

吲哚胺2,3-雙加氧酶在腫瘤微環(huán)境中的表達及意義①

魏麗娟 劉俊田 任秀寶②

(天津醫(yī)科大學腫瘤醫(yī)院預防醫(yī)學中心/國家腫瘤臨床醫(yī)學研究中心/天津市腫瘤防治重點實驗室/天津市惡性腫瘤臨床醫(yī)學研究中心，天津 300060)

吲哚胺2,3-雙加氧酶(Indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO)是肝外唯一催化色氨酸沿犬尿氨酸途徑分解代謝的限速酶[1]。作為一種胞內(nèi)酶，IDO廣泛分布于黏膜組織(如胎盤、肺和小腸)、胸腺髓質(zhì)和次級淋巴器官的T細胞區(qū)。健康人的IDO表達水平較低，但在感染、炎癥或細胞因子的作用下可上調(diào)，其調(diào)節(jié)途徑包括干擾素依賴性信號通路和非干擾素依賴性信號通路。

最初人們對IDO的認識僅限于炎癥中，后來發(fā)現(xiàn)其在母胎免疫、移植免疫及腫瘤免疫等多種環(huán)境中均具有免疫調(diào)節(jié)作用。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)多種腫瘤組織中均有IDO的表達，并且被認為是影響患者預后的不良因素，IDO在腫瘤免疫治療中的地位也越來越受到重視[2，3]。目前，IDO的多種抑制劑正在臨床試驗階段，已經(jīng)可以初步預見到IDO與化療或者免疫檢查點抗體聯(lián)合應用的有效性，但是 IDO在腫瘤微環(huán)境中的表達定位多樣，不僅包括腫瘤細胞自身還包括腫瘤微環(huán)境中的相關細胞如DC、巨噬細胞以及內(nèi)皮細胞等。不同細胞所表達的IDO在腫瘤微環(huán)境中的作用及其機制不完全相同，其在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展以及影響患者預后中發(fā)揮了重要作用。

1 IDO在腫瘤細胞的表達

Himald等[4]首次報道了IDO在肺癌組織中的表達，隨后，多種人類腫瘤組織中均發(fā)現(xiàn)有IDO的表達[2]。我們的前期研究中也發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)乳腺癌組織中有IDO表達，且其高水平表達的患者比例高達67.5%[5]。新近的研究發(fā)現(xiàn)在乳腺癌、前列腺癌等多種腫瘤細胞系的干細胞中也存在IDO表達[6]，其在腫瘤細胞干性的產(chǎn)生或者維持方面是否發(fā)揮了一定的作用還需要進一步的研究。IDO的高表達與患者的轉(zhuǎn)移、復發(fā)或生存率之間均存在密切關系，還可能通過多種機制參與了腫瘤的化療耐藥[7]。然而也有少數(shù)研究得到了不同的結(jié)論，在三陰性乳腺癌中，IDO表達陽性的患者往往腫瘤體積較小、多為基底樣亞型，并且具有更多的淋巴細胞浸潤，但是并不能反映患者的預后情況[8]。而Jacquemier等[9]則認為，基底樣乳腺癌中IDO的表達強度不僅與淋巴細胞浸潤的數(shù)量密切相關，而且還提示患者預后良好。

腫瘤細胞表達的IDO可能并不影響其本身的增殖和侵襲能力，但是卻可以促進腫瘤生長和轉(zhuǎn)移，該過程有多種機制參與[10,11]。最主要的機制是IDO通過色氨酸耗竭、毒性代謝產(chǎn)物的積累以及誘導調(diào)節(jié)性T細胞(regulatory T cells,Tregs)的分化發(fā)揮其免疫抑制功能。IDO所造成的腫瘤局部低色氨酸水平可以激活與免疫細胞增殖和功能相關的一般性調(diào)控阻遏蛋白激酶2(GCN2)通路[12]，而IDO的代謝產(chǎn)物則是芳香烴受體(Aryl hydrocarbon receptor,AHR)的配體，兩者結(jié)合后可以產(chǎn)生免疫抑制功能[13]。本團隊最新的研究發(fā)現(xiàn)，IDO也可以通過下調(diào)Vav1蛋白表達進而抑制Vav1/Rac途徑從而抑制T細胞的免疫應答[14]。其次，表達IDO的腫瘤細胞還可以通過依賴于Tregs的作用機制招募和激活骨髓來源的抑制細胞(Myeloid-drived suppressor cells,MDSCs)，從而影響腫瘤局部乃至全身的免疫狀態(tài)[11]。同時，IDO可以抑制自然殺傷細胞的聚集[10]。另外，還有多個研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞所表達的IDO與腫瘤細胞或者免疫細胞免疫檢查點之間存在復雜的聯(lián)系。在非小細胞肺癌的癌細胞中IDO的表達率顯著高于PD-L1，兩者共表達的比例并不高，但是兩者的表達水平均和腫瘤微環(huán)境中的浸潤淋巴細胞(Tumor-infiltrating lymphoycte,TIL)相關[15]。在急性髓性白血病中，表達IDO的癌細胞可下調(diào)NK細胞的脫顆?；钚?。NK細胞表達的TIM-3與瘤細胞所表達的Gal-9相結(jié)合從而在骨髓微環(huán)境中釋放IFN-γ引起瘤細胞中IDO1表達的上調(diào)，而阻斷TIM-3/Gal-9通路后，可以顯著下調(diào)IFN-γ依賴性的IDO活性[16]。

由此可見，IDO與腫瘤局部微環(huán)境中的多種免疫抑制機制存在重要聯(lián)系，除此之外，IDO還可能促進了腫瘤局部的血管形成。Li等[17]發(fā)現(xiàn)在異種移植皮膚內(nèi)IDO能夠誘導血管形成。我們前期研究中發(fā)現(xiàn)在人乳腺癌原發(fā)病灶中IDO的表達水平和CD105標記的微血管密度存在相關性，體外實驗利用Transwell小室共培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，高表達IDO的乳腺癌細胞系促進人臍靜脈內(nèi)皮細胞的管樣結(jié)構(gòu)增加[18]。

2 IDO在免疫細胞的表達

2.1IDO在DCs的表達 研究發(fā)現(xiàn)肝癌患者的IDO表達與無病生存正相關，進一步分析證實IDO陽性的細胞是腫瘤中浸潤的細胞而不是腫瘤細胞自身[19]。盡管目前對于IDO提示腫瘤患者預后良好這樣的結(jié)論還少有報道，但是IDO在樹突狀細胞(Dendritic cell,DC)等多種免疫細胞中的表達卻已成為研究的熱點[20]。免疫細胞表達的IDO同樣受IFN-γ的調(diào)節(jié)，除此之外，最新的研究發(fā)現(xiàn)DCs上的IDO表達可能受其他氨基酸代謝的影響，DCs可以同時表達IDO1和精氨酸酶1(Arg1)，IDO1的磷酸化以及下游信號的活化都依賴于Arg1的表達，精氨酸經(jīng)Arg1代謝產(chǎn)生下游產(chǎn)物多胺，進而激活具有磷酸化IDO1功能的酪氨酸激酶，從而啟動IDO1信號通路[21]。在DCs中，IDO似乎具有與其色氨酸分解代謝酶功能不同的某些固有的信號傳導功能，從而導致了IDO+DC具有更強的免疫耐受特征[22，23]。DC所表達的IDO可以上調(diào)Treg細胞上的PD-1表達，有助于維持PTEN活性[24]。同時，Treg細胞上表達的CTLA-4可以上調(diào)DC的IDO水平[25]，而IDO又可以反過來激活Treg細胞。從作用機制來看，PD-1和CTLA-4都是表達在T細胞上的免疫抑制檢查點，它們主要在抗原呈遞后發(fā)揮作用。與此不同的是，IDO是通過改變抗原提呈細胞(Antigen presenting cell,APC)本身的生物學特性和抗原呈遞環(huán)境來影響初始T細胞活化步驟[26]，因此，我們認為IDO的作用點可能位于PD-1和CTLA-4的上游，在腫瘤微環(huán)境中，認清IDO的作用機制，IDO與其他免疫檢查點之間的相互作用和影響顯得尤為重要。Rodrigues等[27]發(fā)現(xiàn)幼稚DC(immature Dendritic cells,iDCs)和肥大細胞(Mast cells,MCs)直接接觸后可以表達高水平的IDO，而這種表型不僅可以被靶向肥大細胞的PD-1抗體抑制也可以被靶向DCs的PD-L1或PD-L2抗體所抑制。在共培養(yǎng)體系中加入STAT-3的抑制劑JSI-124后，MC-iDC則不能提高IDO的表達水平，提示STAT-3信號通路可能在IDO表達的調(diào)節(jié)中發(fā)揮了重要作用。

免疫細胞通過呈遞腫瘤抗原給免疫系統(tǒng)，從而誘發(fā)機體的免疫反應,這可能是機體對腫瘤細胞進行免疫監(jiān)視的主要方式。大量的富含IDO的免疫細胞聚集在腫瘤組織周圍，會妨礙其他正常免疫細胞對腫瘤抗原的識別和呈遞。因此，腫瘤組織誘導的富含IDO的免疫細胞聚集在腫瘤組織周圍，可能是造成機體對腫瘤抗原免疫耐受的一個關鍵環(huán)節(jié)。

2.2IDO與Treg 與IDO在炎癥中所發(fā)揮作用的機制類似，腫瘤局部微環(huán)境中，IDO影響T細胞免疫應答的主要機制也離不開Treg。IDO誘導的Treg細胞活化是由來自激活效應T細胞的生理信號所觸發(fā)的，該活化途徑與使用外源性抗CD3促分裂原所活化的機制不同，這是體內(nèi)Treg細胞活化的關鍵刺激[28]。目前的研究證實，IDO活化的Treg細胞是DCs中PD-L1和PD-L2表達的強力誘導劑，IDO通過調(diào)節(jié)Treg細胞中的mTORC2/Akt信號通路，顯著影響其活化效果[29]。并且，Treg細胞一旦被IDO激活，其免疫抑制狀態(tài)的維持將不再受IDO的限制，而是通過PD-1/PTEN信號通路形成穩(wěn)定的自我延續(xù)抑制狀態(tài)的環(huán)路[30]。正因為該環(huán)路的形成，IDO所誘導產(chǎn)生的局部免疫抑制狀態(tài)才不會被局限，而是被抗原提呈細胞、腫瘤細胞以及多種組織中廣泛存在的PD-1所放大。黑色素瘤組織中浸潤的CD8+T細胞不僅可以招募Treg細胞，還可以同時上調(diào)IDO和PD-L1的表達，從而誘導了腫瘤局部微環(huán)境的免疫抑制狀態(tài)[28]。

3 IDO在血管內(nèi)皮細胞的表達

關于內(nèi)皮細胞表達IDO的報道并不多，多數(shù)研究認為，內(nèi)皮細胞所表達的IDO與腫瘤細胞及免疫細胞所表達的IDO 具有不同的意義，其中有部分報道提示內(nèi)皮細胞表達的IDO可能對患者的預后是有利的。

早在2004年，Hansen等[31]就在瘧原蟲感染小鼠模型中發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮細胞可以表達IDO，并且這種表達是全身性的。隨后有研究證實，腫瘤組織中的內(nèi)皮細胞也有IDO表達。Feder-Mengus等[32]對42例良性前列腺增生和34例前列腺癌患者進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)在前列腺癌患者中IDO mRNA表達更多見，表達水平也更高，進一步利用免疫組化定位分析發(fā)現(xiàn)IDO mRNA表達量低的前列腺癌患者中IDO蛋白獨特地表達于內(nèi)皮細胞。

Riesenberg等[33]研究發(fā)現(xiàn)在腎透明細胞癌患者中IDO呈低水平表達是一個獨立的不良預后指標，該研究發(fā)現(xiàn)75%的腎透明細胞癌患者在基因水平和蛋白水平均有IDO表達，但是免疫組化卻出人意料地顯示IDO主要表達于內(nèi)皮細胞而不是腫瘤細胞，并且在新生的血管內(nèi)皮細胞中IDO表達的現(xiàn)象更明顯，尤其集中在腫瘤浸潤生長的邊緣區(qū)域。同時，該研究在原發(fā)灶和轉(zhuǎn)移灶中均發(fā)現(xiàn)IDO陽性的微血管密度與增殖的腫瘤細胞數(shù)目顯著負相關?；蛟S正是因為該研究中表達IDO的細胞主要是內(nèi)皮細胞而不是多數(shù)學者認為的腫瘤細胞和DC等宿主抗原提呈細胞，這才出現(xiàn)了IDO表達水平低對患者預后不利這樣的結(jié)論。關于內(nèi)皮細胞所表達的IDO 抑制腫瘤生長的機制還不明確，Riesenberg等[33]認為內(nèi)皮細胞中表達的IDO可以阻止血液中的色氨酸到達腫瘤組織，連同色氨酸降解產(chǎn)生的毒性代謝產(chǎn)物共同抑制了腫瘤的生長。Mouratidis等[34]發(fā)現(xiàn)原代靜脈內(nèi)皮細胞在IFN-γ刺激后會表達IDO，但表達IDO的原代內(nèi)皮細胞并不能影響T細胞的遷移。

4 其他

也有研究者認為腫瘤組織中IDO表達增強的細胞可能并不是腫瘤細胞或者DC，而是來源于嗜酸性粒細胞。Astigiano等[35]運用免疫組化方法研究了25例非小細胞肺癌標本，結(jié)果表明這些表達IDO的細胞可能是嗜酸性粒細胞，且推測其他研究者之所以認為IDO是由腫瘤細胞或DC表達，主要原因是因為使用的抗體不恰當，但該結(jié)論尚未被廣大研究者認可。Odemuyiwa等[36]在哮喘患者肺嗜酸性粒細胞中也發(fā)現(xiàn)IDO高表達，其mRNA表達量上升了8倍，且這種作用只能通過IFN-γ作用才能形成，在一定程度上支持了Astigiano的研究結(jié)果。Li等[37]研究發(fā)現(xiàn)肝細胞肝癌中腫瘤相關成纖維細胞可以表達IDO，并且通過降低NK細胞的細胞毒效應干擾其有效的免疫應答。

5 結(jié)語

針對IDO的多種免疫抑制劑已經(jīng)進入臨床試驗階段，在與化療或者其他免疫抑制劑聯(lián)合應用時顯現(xiàn)出了肯定的前景，但是臨床有效率在不同腫瘤中不盡相同，而且目前尚缺乏較好的療效預測指標，在患者選擇方面面臨很大的挑戰(zhàn)。本文綜述了腫瘤局部微環(huán)境中多種細胞上的IDO表達，腫瘤細胞表達的IDO通過消耗色氨酸、產(chǎn)生毒性代謝產(chǎn)物及直接誘導Treg活化等多種機制促進腫瘤生長和轉(zhuǎn)移。免疫細胞表達的IDO似乎具有某些信號傳導功能，該功能不同于其色氨酸分解代謝酶的功能，從而使其成為腫瘤局部微環(huán)境免疫耐受狀態(tài)產(chǎn)生和維持的關鍵。而目前文獻顯示血管內(nèi)皮細胞表達的IDO可能通過某些特殊的機制抑制了腫瘤的生長?；蛟S正是因為腫瘤局部微環(huán)境中不同細胞表達的IDO對腫瘤的影響機制不同，從而造成了IDO表達對患者預后影響的不一致性。我們需要針對腫瘤微環(huán)境中不同細胞表達IDO的作用機制做出更加深入的了解，從而為臨床上IDO抑制劑的合理應用奠定理論基礎。

[1] Moffett JR,Namboodiri MA.Tryptophan and the immune response[J].Immunol Cell Biol，2003,81(4):247-265.

[2] Munn DH,Mellor AL.IDO in the tumor microenvironment:inflammation,counter-regulation,and tolerance[J].Trends Immunol,2016,37(3):193-207.

[3] Sheridan C.IDO inhibitors move center stage in immuno-oncology[J].Nat Biotechnol,2015,33(4):321-322.

[4] Himald Y,Katsuji T,Rytaro Y,etal.Interferon enhances tryptophan metabolism by inducing pulmonary indoleamine 2,3-dioxygenase:Its possible occurrence in cancer patients [J].Proc Nad Acad Sci,1986,83(9):6622-6626.

[5] 劉俊田,魏麗娟,于津浦,等.吲哚胺2,3雙加氧酶在乳腺癌中的表達及其與預后的關系[J].中華腫瘤雜志,2011,33(7):513-516.

[6] Stapelberg M,Zobalova R,Nguyen MN.Indoleamine-2,3-dioxygenase elevated in tumor-initiating cells is suppressed by mitocans[J].Free Radical Biol Med,2014,67:41-50.

[7] Li F,Zhang R,Li S.IDO1:An important immunotherapy target in cancer treatment[J].Int Immunopharmacol，2017,47:70-77.

[8] Kim S,Park S,Cho MS,etal.Strong correlation of indoleamine 2,3-dioxygenase expression with basal-like phenotype and increased lymphocytic infiltration in triple-negative breast cancer[J].J Cancer,2017,8(1):124-130.

[9] Jacquemier J,Bertucci F,Finetti P,etal.High expression of indoleamine 2,3-dioxygenase in the tumour is associated with medullary features and favourable outcome in basal-like breast carcinoma[J].Int J Cancer,2012,130(1)：96-104.

[10] Smith C,Chang MY,Parker KH,etal.IDO is a nodal pathogenic driver of lung cancer and metastasis development[J].Cancer Discov,2012,2(8)：722-735.

[11] Holmgaard RB,Zamarin D,Li Y,etal.Tumor-expressed IDO recruits and activates MDSCs in a Treg-dependent manner[J].Cell Rep,2015,13(2)：412-424.

[12] Munn DH,Sharma MD,Baban B,etal.GCN2 kinase in T cells mediates proliferative arrest and anergy induction in response to indoleamine 2,3-dioxygenase [J].Immunity,2005,22(5):633-642.

[13] Mezrich JD,Fechner JH,Zhang X,etal.An interaction between kynurenine and the aryl hydrocarbon receptor can generate regulatory T cells[J].J Immunol,2010,185(6):3190-3198.

[14] Li R,Li H,Sun Q,etal.Indoleamine 2,3-dioxygenase regulates T cell activity through Vav1/Rac pathway[J].Mol Immunol，2017,81:102-107.

[15] Schalper KA,Carvajal-Hausdorf D,McLaughlin J,etal.Differential expression and significance of PD-L1,IDO-1,and B7-H4 in human lung cancer[J].Clin Cancer Res，2017,23(2):370-378.

[16] Folgiero V,Cifaldi L,Li Pira G,etal.TIM-3/Gal-9 interaction induces IFNγ-dependent IDO1 expression in acute myeloid leukemia blast cells[J].J Hematol Oncol，2015,8:36.

[17] Li Y,Tredget EE,Ghaffari A,etal.Local expression of indoleamine 2,3-dioxygenase protects engraftment of xenogeneic skin substitute[J].J Invest Dermatol，2006,126(1):128-136.

[18] 魏麗娟,于津浦,賈志龍,等.吲哚胺2,3雙加氧酶促進血管形成的體外實驗研究[J].中國免疫學雜志,2013,29(1):20-24.

[19] Ishio T,Goto S,Tahara K,etal.Immunoactivative role of indoleamine 2,3-dioxygenase in human hepatocellular carcinoma[J].J Gastroenterol Hepatol，2004,19(3):319-326.

[20] Zheng X,Koropatnick J,Chen D,etal.Silencing IDO in dendritic cells:a novel approach to enhance cancer immunotherapy in a murine breast cancer model [J].Int J Cancer,2013,132(4):967-977.

[21] Mondanelli G,Bianchi R,Pallotta MT,etal.A relay pathway between arginine and tryptophan metabolism confers immunosuppressive properties on dendritic cells[J].Immunity，2017,46(2):233-244.

[22] Pallotta MT,Orabona C,Volpi C,etal.Indoleamine 2,3-dioxygenase is a signaling protein in long-term tolerance by dendritic cells[J].Nat Immunol,2011,12(9):870-878.

[23] Pallotta MT,Orabona C,Bianchi R,etal.Forced IDO1 expression in dendritic cells restores immunoregulatory signalling in autoimmune diabetes[J].J Cell Mol Med,2014,18(10):2082-2091.

[24] Sharma MD,Shinde R,Mcgaha TL,etal.The PTEN pathway in Tregs is a critica driver of the suppressive tumor microenvironment[J].Sci Adv,2015,1(10):e1500845.

[25] Fallarino F,Grohmann U,Hwang KW,etal.Modulation of tryptophan catabolism by regulatory T cells[J].Nat Immunol,2003,4(12):1206-1212.

[26] Ravishankar B,Liu H,Shinde R,etal.The amino acid sensor GCN2 inhibits inflammatory responses to apoptotic cells promoting tolerance and suppressing systemic autoimmunity[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2015,112(34):10774-10779.

[27] Rodrigues CP,Ferreira AC,Pinho MP，etal.Tolerogenic iDO+ dendritic cells are induced by PD-1-expressing mast cells[J].Front Immunol,2016,7:9.

[28] Spranger S,Spaapen RM,Zha Y,etal.Up-regulation of PD-L1,IDO,and tregs in the melanoma tumor microenvironment is driven by CD8+T cells[J].Sci Transl Med,2013,5(200):200ra116.

[29] Sharma MD,Baban B,Chandler P,etal.Plasmacytoid dendritic cells from mouse tumor-draining lymph nodes directly activate mature Tregs via indoleamine 2,3-dioxygenase[J].J Clin Invest,2007,117(9):2570-2582.

[30] Liu Z,Gerner MY,Van Panhuys N,etal.Immune homeostasis enforced by co-localized effector and regulatory T cells[J].Nature,2015,528(7581):225-230.

[31] Hansen AM,Ball HJ,Mitchell AJ,etal.Increased expression of indoleamine 2,3-dioxygenase in murine malaria infection is predominantly localised to the vascular endothelium[J].Int J Parasitol,2004,34(12):1309-1319.

[32] Feder-Mengus C,Wyler S,Hudolin T,etal.High expression of indoleamine 2,3-dioxygenase gene in prostate cancer[J].Eur J Cancer,2008,44(15):2266-2275.

[33] Riesenberg R,Weiler C,Spring O,etal.Expression of indoleamine 2,3-dioxygenase in tumor endothelial cells correlates with long-term survival of patients with renal cell carcinoma[J].Clin Cancer Res,2007,13(23)：6993-7002.

[34] Mouratidis PX,George AJ.Regulation of indoleamine 2,3-dioxygenase in primary human saphenous vein endothelial cells[J].J Inflamm Res,2015,21(8):97-106.

[35] Astigiano S,Morandi B,Costa R,etal.Eosinophil granulocytes account for indoleamine 2,3-dioxygenase-mediated immune escape in human non-small cell lung cancer [J].Neoplasia,2005,7(4):390-396.

[36] Odemuyiwa SO,Ghahary A,Li Y,etal.Cutting edge:human eosinophils regulate T cell subset selection through indoleamine 2,3-dioxygenase[J].J Immunol,2004,173(10):5909-5913.

[37] Li T,Yang Y,Hua X,etal.Hepatocellular carcinoma-associated fibroblasts trigger NK cell dysfunction via PGE2 and IDO[J].Cancer Lett,2012,318(2):154-161.

[收稿2017-05-18 修回2017-06-29]

(編輯 張曉舟)

10.3969/j.issn.1000-484X.2017.11.029

①本文受國家自然科學基金(81502309)資助。

②天津醫(yī)科大學腫瘤醫(yī)院生物技術研究室，天津市腫瘤免疫與生物治療重點實驗室，天津 300060。

R730.3

A

1000-484X(2017)11-1731-04

魏麗娟(1983年-)，女，博士，主治醫(yī)師，主要從事乳腺癌與免疫的相關研究。

及指導教師：任秀寶(1968年-)，男，主任醫(yī)師，教授，博士生導師，主要從事腫瘤免疫方面的研究，E-mail:renxiubao@tjmuch.com。