Cell|陈曦团队揭示三阴性乳腺癌免疫逃逸的机制

引言

免疫检查点阻断（immune checkpoint therapy）疗法是一类通过阻断抑制T细胞活性的信号通路来提高抗肿瘤免疫反应的治疗方法【1】。其中最典型的靶点是CTLA-4和PD-1/PD-L1。该疗法对不同类型的癌症显示出明显疗效，彻底改变了肿瘤治疗的策略。美国免疫学家詹姆斯·艾利森 (James P Alison) 和日本免疫学家本庶佑 (Tasuku Honjo) 因在该领域的突出贡献共同荣获2018年诺贝尔生理学或医学奖。根据肿瘤中淋巴细胞的浸润程度，可将其分为“热肿瘤” 和“冷肿瘤”。热肿瘤中淋巴细胞浸润丰富因而对免疫疗法反应良好。冷肿瘤中缺乏免疫细胞浸润因而对免疫疗法具有抵抗性，是肿瘤免疫治疗面临的一大挑战【2】。

美国 MD Anderson Cancer Center陈曦教授实验室长期致力于内质网应激反应和蛋白质稳态和应激在免疫微环境和肿瘤耐药性中的功能，机制以及临床转化研究【3-9】。

2024年10月16日， 陈曦实验室（徐龙勇，彭方略和罗琴为本文共同第一作者）在Cell杂志在线发表了题为IRE1α silences dsRNA to prevent taxane–induced pyroptosis in triple-negative breast cancer的文章，首次报道了内质网应激反应介导三阴性乳腺癌免疫逃逸的分子机制。实验室前期的研究鉴定了针对IRE1α核糖核酸酶的特异抑制剂ORIN1001【6】，该抑制剂在一期临床试验中肿瘤患者耐受良好【10】。在这项研究中徐龙勇领导的团队发现内质网应激感受器IRE1α抑制紫衫类（taxane）化疗药引起的双链RNA（dsRNA）。靶向IRE1α同时组合taxane化疗药导致p53-/- 肿瘤细胞中dsRNA聚积并被dsRNA受体ZBP1蛋白识别后引起NLRP3-GSDMD介导的细胞热死亡-焦亡，从而导致肿瘤中大量淋巴细胞浸润和激活。这项研究表明该ORIN1001联合紫衫类化疗药可以把对免疫治疗抵抗的三阴性乳腺癌冷肿瘤转化成反应良好的热肿瘤。

据国家癌症中心统计乳腺癌近年来发病率逐年上涨，在女性恶性肿瘤中新发病率最高【11】。而其中的三阴性乳腺癌 （triple-negative breast cancer）恶性程度最高，预后最差。由于化疗药除了引起细胞凋亡等免疫沉默的冷死亡外还具有引起免疫性的热死亡的潜力，因此被用来增强肿瘤中的淋巴细胞浸润和免疫疗法的效果（化疗-免疫治疗联合）。然而决定化疗药引起热死亡的机制并不清楚，许多冷肿瘤的患者对化疗-免疫联合疗法仍然具有抵抗性【12,13】。为此该团队以三阴性乳腺癌患者肿瘤样品为模型，通过免疫染色发现紫衫类化疗药只在部分患者的肿瘤中引起淋巴细胞浸润。进一步的研究发现这部分患者的肿瘤细胞中IRE1α蛋白核糖核酸酶活性较低，其活性与肿瘤中化疗药引起的淋巴细胞浸润程度负相关。这些结果提示IRE1α可能调节紫衫类化疗药的免疫刺激作用。团队以多种基因改造小鼠三阴性乳腺癌为模型来检测这种假设。通过使用ORIN1001小分子抑制剂，在肿瘤细胞中特异敲低IRE1α或者构建不被ORIN1001结合的IRE1α突变体等遗传操作结合质谱流式（CyTOF）和单细胞测序等技术表明IRE1α抑制紫衫类化疗药的免疫刺激作用。ORIN1001组合taxane化疗不但显著增加冷肿瘤中的淋巴细胞浸润从而使其变成热肿瘤，而且明显提高浸润的CD8+ T细胞活性。虽然活化的T细胞会上调PD1并通过分泌IFN上调肿瘤微环境中的PD-L1这种负反馈来调节自己的活性，但是加入针对PD-1的阻断抗体可以打破这种负反馈从而发挥免疫治疗的作用来消除肿瘤。在研究其中的机制的过程中，徐龙勇等发现白细胞介素1α（IL-1α）特异的在ORIN1001组合taxane化疗的肿瘤负荷小鼠血清中升高。以往的研究表明IL-1α在炎症小体（inflammasome）激活的情况下被分泌到细胞外【14】。通过电镜，免疫染色等方法结合小分子抑制剂和遗传操作，实验室确认了NLRP3炎症小体介导的GSDMD切割导致细胞焦亡，IL-1α分泌和肿瘤中淋巴细胞浸润。在众多激活NLRP3炎症小体的分子中ORIN1001组合taxane特异的在p53-/- 肿瘤细胞中引起dsRNA累积。有意思的是这些dsRNA并不是经典的转座子元件，而是来自编码基因并呈现非经典的左手螺旋 （Z-type dsRNA， Z-RNA）。ZRNA很少被ADAR修饰【15】，被细胞中的ZBP1蛋白识别后可以激活NLRP3炎症小体【16】。ORIN1001组合taxane引起的dsRNA可以引起ZBP1依赖的NLRP3炎症小体激活和细胞焦亡。序列分析和体外试验表明许多dsRNA是IRE1α核糖核酸酶的底物，IRE1α切割这些dsRNA后导致它们的降解。实验室还进一步探讨了ORIN1001组合taxane化疗只在肿瘤细胞中引起dsRNA累积的机制并发现肿瘤细胞中p53的缺失是关键因素。以上这些发现可以在三阴性乳腺癌患者肿瘤样品和病人来源肿瘤异种移植（Patient-derived tumor xenograft, PDX）模型中验证。这些研究详细阐明了肿瘤细胞如何利用IRE1α和p53来避免taxane化疗引起的危险信号和热死亡并进而逃避免疫系统攻击。

图一：IRE1α抑制化疗药引起的热死亡和免疫刺激（Credit: Cell）综上所述，这项研究系统性的揭示了化疗药引起肿瘤细胞热死亡的可能方式以及肿瘤细胞通过内质网应激反应和p53抑制这种热死亡的具体机制，并为针对冷肿瘤的化疗-免疫治疗提供了新的策略 （图1）。通过ORIN1001靶向抑制IRE1α可以在p53 缺失的三阴性乳腺癌中有效增强taxane化疗药引起的dsRNA和热死亡，并引起淋巴细胞浸润和显著提高患者对免疫治疗的发应。

参考文献

1. Sharma, P., Goswami, S., Raychaudhuri, D., Siddiqui, B.A., Singh, P., Nagarajan, A., Liu, J., Subudhi, S.K., Poon, C., Gant, K.L., et al. (2023). Immune checkpoint therapy-current perspectives and future directions. Cell 186, 1652-1669. 10.1016/j.cell.2023.03.006.2. Galon, J., and Bruni, D. (2019). Approaches to treat immune hot, altered and cold tumours with combination immunotherapies. Nat Rev Drug Discov 18, 197-218. 10.1038/s41573-018-0007-y.3. Xu, L., Peng, F., Luo, Q., Ding, Y., Yuan, F., Zheng, L., He, W., Zhang, S.S., Fu, X., Liu, J., et al. (2024). IRE1α Silences dsRNA to Prevent Taxane–Induced Pyroptosis in Triple-Negative Breast Cancer. Cell (in press). 13656. doi:10.1016/j.cell.2024.09.032.4. Lv, X., Lu, X., Cao, J., Luo, Q., Ding, Y., Peng, F., Pataer, A., Lu, D., Han, D., Malmberg, E., et al. (2023). Modulation of the proteostasis network promotes tumor resistance to oncogenic KRAS inhibitors. Science 381, eabn4180. 10.1126/science.abn4180.5. Xu, L., Liu, X., Peng, F., Zhang, W., Zheng, L., Ding, Y., Gu, T., Lv, K., Wang, J., Ortinau, L., et al. (2020). Protein quality control through endoplasmic reticulum-associated degradation maintains haematopoietic stem cell identity and niche interactions. Nature Cell Biology 22, 1162-1169. 10.1038/s41556-020-00581-x.6. Zhao, N., Cao, J., Xu, L., Tang, Q., Dobrolecki, L.E., Lv, X., Talukdar, M., Lu, Y., Wang, X., Hu, D.Z., et al. (2018). Pharmacological targeting of MYC-regulated IRE1/XBP1 pathway suppresses MYC-driven breast cancer. J Clin Invest 128, 1283-1299. 10.1172/JCI95873.7. Liu, X., Yu, J., Xu, L., Umphred-Wilson, K., Peng, F., Ding, Y., Barton, B.M., Lv, X., Zhao, M.Y., Sun, S., et al. (2021). Notch-induced endoplasmic reticulum-associated degradation governs mouse thymocyte β−selection. eLife 10, e69975. 10.7554/eLife.69975.8. Chen, X., and Cubillos-Ruiz, J.R. (2021). Endoplasmic reticulum stress signals in the tumour and its microenvironment. Nature Reviews Cancer 21, 71-88. 10.1038/s41568-020-00312-2.9. Chen, X., Iliopoulos, D., Zhang, Q., Tang, Q., Greenblatt, M.B., Hatziapostolou, M., Lim, E., Tam, W.L., Ni, M., Chen, Y., et al. (2014). XBP1 promotes triple-negative breast cancer by controlling the HIF1α pathway. Nature 508, 103-107. 10.1038/nature13119.10. Rimawi, M.F., Hamilton, E.P., Hurvitz, S.A., Marks, D.K., Elias, A.D., Pluard, T.J., Gabrail, N.Y., Patterson, J., Greene, S., and Zeng, Q. (2023). Early efficacy evaluation of ORIN1001, a first in IRE1 alpha inhibitor, in advanced solid tumors. Journal of Clinical Oncology 41, 1092-1092. 10.1200/JCO.2023.41.16_suppl.1092.11. Han, B., Zheng, R., Zeng, H., Wang, S., Sun, K., Chen, R., Li, L., Wei, W., and He, J. (2024). Cancer incidence and mortality in China, 2022. Journal of the National Cancer Center 4, 47-53. https://doi.org/10.1016/j.jncc.2024.01.006.12. Cortes, J., Rugo, H.S., Cescon, D.W., Im, S.A., Yusof, M.M., Gallardo, C., Lipatov, O., Barrios, C.H., Perez-Garcia, J., Iwata, H., et al. (2022). Pembrolizumab plus Chemotherapy in Advanced Triple-Negative Breast Cancer. N Engl J Med 387, 217-226. 10.1056/NEJMoa2202809.13. Schmid, P., Cortes, J., Pusztai, L., McArthur, H., Küm