Trends in Immunology（IF 16.800）|肿瘤巨噬细胞功能异质性可为新型癌症疗法的开发提供依据
2024-04-18
中科新生命
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巨噬细胞是肿瘤微环境（TME）中的关键组成部分，在很大程度上与不良预后相关。过往对于巨噬细胞的靶向治疗多聚焦在抑制其招募，或将其表型从促进肿瘤进展的M2型重编程为抗肿瘤的M1型，然而这些方式对于临床治疗来说并未起到预期的作用效果。结合单细胞及空间转录组技术，逐渐更新了科研人员对于巨噬细胞发育、表型以及功能重塑的认知，随之产生的大量生分子信息也更好的推动了识别被肿瘤驯化的巨噬细胞亚型（肿瘤相关巨噬细胞-TAM）。因此，对肿瘤巨噬细胞的功能异质性进行深入研究可以为开发新型癌症治疗策略提供重要的指导和启示。
2023年12月，来自澳大利亚彼得·麦卡伦癌症中心、奥利维亚·牛顿约翰癌症研究所的科研团队共同在Trends in Immunology（IF 16.800）上发表了题为“Tumor macrophage functional heterogeneity can inform the development of novel cancer therapies“的综述。该文章对于巨噬细胞的功能进行了具体的剖析，并提供了目前正在开发的关于巨噬细胞新型靶向治疗的最新信息。
研究结果
1. 肿瘤相关巨噬细胞的分类系统
传统意义上巨噬细胞被划分为炎症性（M1型）或抗炎性（M2型），而M2型巨噬细胞与癌症的发展有关，但对于M2型巨噬细胞的靶向干预在癌症治疗中效果有限（Table1）。一项早期刊登在Cell上关于乳腺癌的scRNA-seq研究表明TAM不是简单的遵从传统的极化模型而发挥功能，这一发现挑战了巨噬细胞的传统极化理论。而为了更好地理解TAM的功能异质性，一项单细胞层面的泛癌研究通过解析巨噬细胞的分子功能，提出了新的分类模型，且该模型得到了广泛的认可并已经应用于不同的癌症分析中。这些结果促进了对于巨噬细胞分类的全面认识，并且成功的推动了靶向治疗走向新时代。
Table 1 实体肿瘤靶向TAM的临床试验总结
2. 肿瘤相关巨噬细胞的分类系统的进一步拓展
（1）TAM的分子表征
scRNA-seq测序技术发现了肿瘤中新的巨噬细胞亚群，但对这些亚群的分类依赖于无监督聚类获得的cluster中的高变基因。不同的研究对于命名每个亚型中表达最高的转录本存在一些争议。举例来说，一半的人类癌症中具有明显表达SPP1（骨桥蛋白）的巨噬细胞亚群，但在缺乏SPP1+巨噬细胞簇的肿瘤中，共同的血管生成特征（INHBA、VCAN 或 FN1）与SPP1巨噬细胞同时存在，这说明即使该细胞亚群的原始marker基因不存在或低表达，但其亚群的功能依旧可以通过其他marker基因的得以确认。那么提示我们，仅基于高度上调的基因集对单细胞亚群进行分类可能会误导研究者对于细胞亚群多样性的发现。
（2）巨噬细胞的空间定位对于定义功能很重要
在研究癌症中的巨噬细胞时，空间定位在定义功能上至关重要。TME中的慢性炎症条件会产生生物信号触发巨噬细胞的活化，而这些巨噬细胞的极化在很大程度上受到特定信号事件的塑造，这些信号事件具有典型的区域特异性。因此，巨噬细胞可能会对这些区域产生不同的功能状态。例如，缺氧中心通过血管内皮生长因子（VEGF）和ANG2的分泌诱导血管生成型肿瘤相关巨噬细胞（Ang-TAMs）。对人类结直肠癌的空间分析表明，来自肿瘤缺氧中心的IL-1B和VEGF表达可以促进CD14+单核细胞向表达血管生成标志物（如MARCO、SPP1和TIE2）的巨噬细胞的分化。在人类乳腺癌和结直肠癌中，空间转录组学数据表明免疫调节型巨噬细胞（Reg-TAMs）定位于基质和瘤旁区域，可能控制免疫浸润进入肿瘤。与此同时，与肿瘤细胞巢中巨噬细胞的直接接触可能促进肿瘤的转移。这些结果表明，远离肿瘤的巨噬细胞可能具有抗肿瘤特性，与靠近肿瘤的巨噬细胞的肿瘤生成特性形成对比。
（3）根据功能区分的巨噬细胞亚型
最初的功能分类提出了包括中间单核细胞（在成熟为巨噬细胞之前代表中间阶段的单核细胞群）、脂质相关巨噬细胞（LAMs）和组织驻留巨噬细胞（TRMs）的功能亚群。然而现阶段结合大量scRNA-seq数据来看，人类TAMs可能分为六个主要类别，包括炎症性TAMs、血管生成型TAMs、免疫调节型TAMs、炎症性-免疫调节型TAMs、免疫刺激型巨噬细胞、CD169+巨噬细胞。
（4）影响巨噬细胞功能亚型鉴定的因素：
①巨噬细胞的功能亚型受其脂质相关巨噬细胞（LAM）、组织驻留巨噬细胞（TRM）或单核细胞来源的转录编程影响，同时也受其在肿瘤微环境（TME）中的空间定位影响。
②不同类型的巨噬细胞亚型具有多种功能状态，仅通过转录标志物很难明确区分它们，因为它们可能表现出重叠的基因标志物和/或基因表达梯度。
③了解不同功能亚型之间的关系以及TME中局部环境对巨噬细胞成熟的作用，有助于开发有针对性的候选治疗方法，如针对终端分化亚型的去除或可以转变为其他亚型的重新编程。
④一些巨噬细胞亚型可以在TME内不同时间和位置之间相互转变，这种功能转换的理解对于开发治疗策略至关重要，但必须在分析scRNA-seq数据时进行验证。
⑤鉴于巨噬细胞的功能分类主要依赖于从scRNA-seq获得的数据，因此强调实验验证这些细胞亚群的重要性。比如在类器官模型中进行详细研究，以准确重现从人类肿瘤中观察到的现象，并结合分子分析和功能生物学实验进行验证。
图1 人类巨噬细胞的空间图及其在肿瘤微环境中的相互作用
3. 针对巨噬细胞的新候选治疗方法
对于巨噬细胞生物学的新见解使得能够开发新的潜在疗法来抑制 TAM 介导的免疫抑制、血管生成或炎症。这些过程可以通过靶向参与代谢重编程或下游/上游信号通路的受体、转录因子或分泌蛋白来实现。
（1）针对TAM介导的免疫抑制
①TAMs的关键功能之一是抑制免疫系统以促进肿瘤免疫逃逸。通过抑制Reg-TAMs及其功能，可以使适应性免疫系统渗透并攻击肿瘤，例如通过Trem2小分子抑制剂抑制Trem2+ Reg-TAMs或抑制Reg-TAMs中的免疫抑制酶如IDO1，这在临床前阶段已显示出强大的抗肿瘤效果。一些针对Reg-TAMs的靶向抑制剂结合免疫检查点阻断已在多种实体瘤中显示出潜力，如使用IDO1酶抑制剂与ICB联合治疗晚期实体瘤，在临床试验中表现出更高的
客观缓解率。
Table 2 针对巨噬细胞功能亚型进行的临床前测试
②通过scRNA-seq 已将 Trem2 确定为 Reg-TAM 中的必需基因，通过特定抑制剂靶向Trem2+Reg-TAMs进行干预加强了ICB在卵巢癌类器官模型中的治疗有效性，减少了肿瘤生长并增强了T细胞的抗肿瘤活性。此外抑制COX-2/PGE2途径和Arginase (ARG)1等免疫抑制因子也是减轻Reg-TAMs介导的免疫抑制的有效途径。上述这些方法已在临床试验中已显示出较高的作用潜力。
Table 3 针对巨噬细胞功能亚型进行的部分临床试验结果
（2）靶向TAM介导的血管生成
大多数实体肿瘤的缺氧核心中普遍存在Ang-TAMs，并且它们促进血管形成的能力使这些细胞亚群成为理想的治疗靶点。目前针对Ang-TAMs的治疗重点是对其招募过程（Table2和Table3）。过去针对癌症血管生成的治疗是通过靶向VEGF-A从而使肿瘤血管系统正常化，这也在一定程度上导致了肿瘤缺氧环境的产生，该环境通过血管生成素（ANG）2促进Ang-TAMs的招募，导致治疗耐药性。因此，改善 VEGF 抑制剂治疗效果的方法是将其与 ANG2 抑制剂联合使用，这在一些动物肿瘤模型的研究结果中的得到了证实。
（3）针对TAM介导的炎症
Inf-TAM （促炎肿瘤相关巨噬细胞）积极诱导炎症途径，进而维持癌症的免疫抑制和增殖特征。因此，负责启动这些致癌过程的蛋白质被认为是有希望的治疗靶点。由于巨噬细胞分泌的IL-1β在维持TAMs促肿瘤炎症功能方面起着重要作用而成为重要的靶点。在小鼠的前列腺、乳腺和肾癌模型中阻断IL-1β导致肿瘤生长减缓。其他Inf-TAMs的靶点包括NLRP3炎性小体和TAM来源的骨桥蛋白（SPP1），两者对于Inf-TAM功能至关重要。这些发现表明，对抗Inf-TAM介导的肿瘤促进可能是一种有效的预防性方法，除了其治疗潜力外，还需要进一步通过临床试验确认其具体疗效。
4. 功能性巨噬细胞亚群与癌症预后的关联
不同功能的巨噬细胞亚群可能影响癌症进展和治疗效果。一些相关marker基因已经与较差的癌症预后相关联，例如TIE2、TREM2、IL4I1和SPP1的表达。这些发现讲有助于指导治疗策略，提高临床治疗效果。
小结
通过单细胞转录组及空间转录组测序，可以揭示肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的起源、位置、阶段和功能，以及它们独特的表达标志及代谢特征。了解特定功能性巨噬细胞亚群与治疗响应的关联及其在肿瘤早期阶段的存在形式是极其重要的，而分子分析和空间定位数据为开发新的抗肿瘤治疗提供了研究平台，并且基于这些技术开展的肿瘤临床前研究结果已经开始为实际临床治疗提供高价值的信息参考。
