背景：
癌症表达大量的基因，通过这些基因，它们建立了免疫抑制的肿瘤微环境。这些基因中的许多都是通过缺氧诱导因子HIF-1和HIF-2介导的转录激活，由肿瘤内缺氧诱导的。
简介：
2023年9月15日，来自美国约翰霍普金斯大学医学院细胞工程研究所和阿姆斯特朗氧生物学研究中心的Gregg L. Semenza教授课题组在Semin Cancer Biol（IF: 14.5）杂志上发表题为“Targeting intratumoral hypoxia to enhance anti-tumor immunity”的文章[1]。本文综述了近年来关于肿瘤、乳腺癌、结直肠癌、肝细胞癌、前列腺癌和子宫癌中缺氧诱导的免疫逃避机制的报道。这些研究指出了几种新的治疗方法来提高抗肿瘤免疫和增加对免疫治疗的反应。
主要结果：
免疫检查点蛋白细胞毒性T淋巴细胞抗原4 (CTLA-4)、程序性死亡蛋白1 (PD-1)和PD-1配体1 (PD-L1)的发现揭示了免疫系统活性被调节和阻止释放破坏宿主组织(即自身免疫)的机制。CTLA-4与CD28竞争，与共刺激受体CD80和CD86结合，阻断T细胞活化，而PD-L1与PD-1结合，触发T细胞衰竭或凋亡。随后发现PD-1免疫检查点被癌细胞用来阻断抗肿瘤免疫，这导致了一种新的治疗策略的发展。针对CTLA-4、PD-1或PD-L1的多种免疫检查点抑制剂已被美国食品和药物管理局(FDA)批准用于治疗多种癌症。
抗CTLA-4、抗PD-1或抗PD-L1单克隆抗体的治疗已经彻底改变了癌症治疗，证明有可能逆转由癌细胞诱导的免疫抑制，并触发抗肿瘤免疫，从而彻底持久地根除癌细胞。然而，这些反应只发生在所有癌症类型的少数患者中(不到20%)，并且已经确定了许多导致治疗失败的因素。例如，免疫检查点抑制剂治疗后，T细胞活化的V域Ig抑制因子(VISTA)表达增加，并有助于黑色素瘤中抗PD-1治疗的获得性耐药的发展。乳腺癌中VISTA表达也与PD-1表达相关。
当前癌症研究的一个主要焦点是，首先，确定免疫检查点抑制剂的耐药机制，其次，设计治疗策略来克服这些机制。在这里，作者将回顾最近的几项研究:(I)关注肿瘤内缺氧作为触发癌细胞免疫逃避的主要机制;(ii)研究了针对缺氧癌细胞的药物治疗效果。
腺苷与A2A受体的结合激活了与PD-L1与PD-1结合所触发的相同的细胞内信号通路。因此，同时产生高水平腺苷和PD-L1的肿瘤不太可能对抗PD-1或抗PD-L1治疗产生反应，因为腺苷将继续与免疫效应细胞结合并触发其衰竭或凋亡。就像抑制PD-1和PD-L1之间相互作用的药物有可能重新激活抗肿瘤免疫一样，阻断腺苷产生或腺苷与A2A受体结合的药物也有可能—但这种方法只有在肿瘤不过度表达PD-L1的情况下才可能成功。
随后的研究表明，在缺氧癌细胞中，编码细胞外ATP转化为AMP和AMP转化为腺苷所需的外核苷酶的CD39和CD73基因的表达是通过缺氧诱导因子(hfs)介导的转录激活诱导的，这也证实了编码PD-L1的CD274基因的表达。在缺氧乳腺癌和黑色素瘤细胞中，另一个关键的HIF-1靶基因是BIRC2，它通过抑制非典型NF-κB信号传导促进乳腺癌和黑色素瘤的免疫抑制。正如HIF-1最初证明的那样，HIF是异二聚体转录因子，由一个O-不稳定的HIF-α亚基和一个组成性表达的HIF-1β亚基组成。HIF-1α和HIF-2α在许多类型的人类癌症中过表达，它们的过表达与癌症进展和患者死亡率有关。暴露于缺氧的癌细胞导致基因表达的广泛变化。例如，当SUM159乳腺癌细胞暴露于1%的O2中24小时时，1307个RNA的表达被诱导，817个RNA以HIF依赖的方式被抑制至少1.5倍。
在子宫中有条件敲除Pten肿瘤抑制基因驱动的子宫内膜样子宫内膜癌(这是最常见的妇科癌症)的原生基因工程小鼠模型中也给予呼吸高氧。在该模型中，肿瘤氧合对浸润肿瘤内缺氧区域的多形态核白细胞(也称为中性粒细胞)有深远的影响。当荷瘤小鼠暴露于60%的O2中10天时，肿瘤相关的新粒细胞(TANs)密度下降了60%，这是由于肿瘤内中性粒细胞趋化剂CXCL5水平下降所致。然而，剩余的TANs通过产生活性氧(ROS)来杀死癌细胞更有效，这是一种由NADPH氧化酶催化的O2依赖性反应。同时，TANs促进肿瘤细胞增殖的能力被抑制。因此，肿瘤氧合的改善将TANs从肿瘤促进剂转变为肿瘤杀伤剂。值得注意的是，这些效应都是与T细胞无关的。
另一种针对肿瘤内缺氧的策略是使用缺氧激活的前药TH-302(也称为进化环磷酰胺)。Evo-磷酰胺选择性地杀死缺氧的肿瘤细胞，从而减少O2消耗并增加肿瘤内的O2水平。利用前列腺癌的TRAMP-C2模型，通过给药吡莫硝唑来确定肿瘤的缺氧区，吡莫硝唑在缺氧条件下与细胞大分子共价连接，可以通过免疫组织化学在组织切片中检测到。与吡莫硝唑阴性区相比，吡莫硝唑阳性区缺乏T细胞，并且含有更多的MDSCs。同源C57BL/6小鼠皮下注射TRAMP-C2细胞，从第7天开始，分别给予未处理或TH-302(第7-11天和第19-23天)、抗CTLA4和抗PD1抗体(第7、10、13、19、22和25天)，或两者同时处理。未治疗的小鼠均在3个月内死亡，而TH-302治疗小鼠140天的总生存率为30%，抗体治疗小鼠为55%，TH-302和两种免疫检查点抑制剂治疗小鼠为82%。
与这些临床数据相补充，研究人员发现，在4T1小鼠TNBC模型中，吡莫硝唑染色与HIF-1α表达呈正相关，与CD8+ T细胞的存在呈负相关。抗PD-1抗体治疗对4T1肿瘤生长影响不大，但与HIF抑制剂PX-478联合使用时，原发肿瘤生长和肺转移均受到显著抑制。联合治疗增加了肿瘤浸润性CD8+ T细胞的数量，同时也增加了IFN-γ的表达。肿瘤内编码趋化因子CXCL-10、CXCL-11和CXCL-12的mRNA表达也增加，这为观察到的T细胞募集增加提供了潜在的分子机制。尽管联合疗法提高了小鼠的存活率，但所有小鼠最终都死于癌症。
单独使用紫霉素治疗足以抑制PD-L1在肿瘤细胞、MDSCs和TAM上的表达。抗PD-1和抗PD-L1抗体阻断肿瘤中PD-1(表达于CD8+ T细胞和NK细胞上)和PD-L1(表达于肿瘤细胞、MDSCs和TAM上)的相互作用，从而促进抗肿瘤免疫。虽然与抗CTLA-4抗体相比，它们的副作用更少，但这些抗体也会阻断PD-1:PD-L1在外周的相互作用，在那里它们可能导致潜在的危及生命的自身免疫组织损伤。在这项研究中，研究人员证明，尽管紫霉素抑制肿瘤内PD-L1的表达，但它增加了正常组织中PD-L1的表达，这归因于扩增的T细胞群增加了干扰素-γ的表达。因此，HIF抑制剂与免疫检查点抑制剂联合使用可能会导致更安全、更有效的免疫治疗。
吖啶黄(3,6-二氨基-10-甲基吖啶-10-氯化铵)被证明可以抑制HIF活性，从而阻断乳腺癌转移，促进抗肿瘤免疫。然而，吖啶黄是一种导致DNA损伤的插层剂，不适合作为HIF抑制剂临床使用。NCI CellMiner数据库包含60种人类癌细胞系中超过25,000种RNA的表达数据，这些细胞系暴露于超过20,000种化合物中。CellMiner被用来鉴定诱导RNA表达变化的化合物，这些化合物与吖啶黄碱类似，但在结构上与吖啶黄碱无关。在此硅片研究中，我们测试了候选化合物在人肝细胞癌(HCC)细胞系Hep3B中抑制缺氧诱导的萤火虫荧光素酶报告基因表达的能力，该基因由缺氧反应元件驱动。筛选产生了一种先导化合物，作为合成250多种类似物的起点，这些类似物在HIF依赖性报告物试验中进行了测试。
Belzutifan是一类HIF-2选择性抑制剂，已被FDA批准用于治疗von Hippel-Lindau综合征(VHL功能丧失导致HIF活性失调)患者的透明细胞肾细胞癌(CCRCC)和其他肿瘤。贝尔祖替芬治疗耐受性良好，除了贫血的发展，这是抑制HIF-2依赖性促红细胞生成素产生的靶效应。最近的一篇综述总结了表明HIF-1和HIF-2在肿瘤和基质细胞中的非冗余作用的数据，并认为双重抑制HIF-1和HIF-2可能需要达到最大的治疗效果。鉴于目前缺乏FDA批准的双HIF-1/2抑制剂，有必要进行研究，以确定贝尔祖替芬对HIF-2的抑制是否足以诱导抗肿瘤免疫，至少在晚期CCRCC病例中。正在进行的贝尔祖替芬联合酪氨酸激酶抑制剂levantinib治疗抗PD-1或抗PD-L1治疗失败的CCRCC患者的临床试验(NCT04586231)没有考虑到HIF活性失调可能导致对这些免疫肿瘤药物产生耐药性的可能性。一项正在进行的临床试验(NCT04976634)正在研究pembrolizumab、levantinib和belzutifan三联药方案治疗多种实体肿瘤(包括结直肠癌、肝细胞癌和食管鳞状细胞癌，以及胆道和子宫内膜癌;还有胰腺导管腺癌)的疗效。
结论和展望：
总之，临床前数据有力地支持HIF作为免疫逃避的主要介质的作用，并表明HIF抑制剂将改善许多癌症类型对免疫检查点抑制剂的反应。这一假设将首先用选择性HIF-2抑制剂贝祖替芬进行检验。对于许多癌症，临床前数据表明，双重HIF-1/2抑制剂可能最有效地阻断编码免疫逃避介质的多个HIF靶基因的表达，但此类药物在患者中的安全性和有效性仍有待临床试验确定。
原文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1044-579X(23)00124-4
参考文献：
[1] Semenza GL. Targeting intratumoral hypoxia to enhance anti-tumor immunity. Semin Cancer Biol. 2023 Sep 15:S1044-579X(23)00124-4. doi: 10.1016/j.semcancer.2023.09.002. Epub ahead of print. PMID: 37717718.
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