1、乳酸的分子结构与生理功能

乳酸为三碳分子的酸性物质，属于羧酸，其分子式为C3H6O3。1808年，有机化学之父BERZELIUS在猎杀的鹿肉中首次发现了游离乳酸的存在[1,2]。经典糖代谢理论认为乳酸既是糖酵解供能系统代谢的终末产物，也是糖酵解过程的中间产物，可作为有氧供能系统的重要氧化基质，在供能体系中起重要作用，包括：平衡细胞和组织之间的NADH/NAD比例，使糖酵解重复完成，为机体迅速提供能量，尤其是运动肌缺氧时；参与乳酸循环（lactic acid cycle,LAC）：乳酸在肝脏中被乳酸脱氢酶催化，通过产糖转化为丙酮酸和葡萄糖。葡萄糖释放入血液后再被肌肉摄取，由此构成了一个循环，称为Cori循环[3]，该循环生理意义在于：①促进乳酸再利用，避免了乳酸（能源物质）的损失；②防止乳酸的堆积引起酸中毒。以上内容为正常组织的乳酸代谢过程，但随着科学技术的进步，尤其是乳酸检测分析技术和认识水平的提升，学术界对乳酸的功能有了新的认识，特别是肿瘤细胞与正常细胞之间乳酸代谢存在显著差异，科学家们认为肿瘤微环境（tumor microenvironment,TME）中糖酵解产生的大量乳酸不应被视为一种代谢废物，而是肿瘤细胞的主要营养源，是肿瘤不良预后的标志物，在促进肿瘤进展中发挥重要作用。

2、乳酸在TME中的主要作用

大约在一个世纪之前，科学家首次描述了乳酸在癌症发生过程中所扮演的关键性角色，当时的诺贝尔奖获得者OTTO WARBURG通过研究发现，即使在氧气足以支持线粒体氧化磷酸化的情况下，癌细胞也倾向于将葡萄糖“发酵”成乳酸，这种有氧糖酵解的代谢特征称为“Warburg”，主要特征表现为快速耗尽葡萄糖，糖酵解活跃，代谢产物乳酸含量高，至今仍是癌症的十大特征之一[4]。

癌细胞产生的乳酸分泌到细胞外环境中，促进癌症进展。癌细胞或基质细胞中与质子偶联的乳酸外流可通过调节TME（包括但不限于癌细胞侵袭、血管生成、生存信号、转移发展和逃避免疫监视等）来促进肿瘤进展[5]。细胞外乳酸堆积或酸中毒可抑制T细胞介导的免疫反应，中和或下调TME的酸度可提高免疫治疗疗法的抗肿瘤效应。TME中的癌细胞、T细胞、NK细胞、树突状细胞（dendritic cell,DC）和巨噬细胞等可以感知胞外乳酸水平，从而触发细胞内信号传导，微调细胞行为并强烈影响其功能[6]。因此，乳酸在促肿瘤进展方面并不是一个简单的存在，而是在TME中表现出了直接或间接影响包括免疫功能在内的“多面手”作用。

2.1 乳酸直接参与TME中免疫细胞功能抑制

TME中的乳酸通过诱导和募集免疫抑制相关细胞和分子，触发胞内信号，调节细胞行为，发挥其复杂的免疫抑制功能，同时强烈影响PD-1和效应T细胞的表达等，导致免疫逃逸，引起治疗失败[7]。

TME中缺氧、细胞外酸中毒、高乳酸水平等，能够抑制CD4+T细胞的抗肿瘤活性[8]。如缺氧或衍生为代谢性酸中毒，导致CD4+激活的效应T细胞受到抑制，取而代之的是“耗竭”和更耐受的T细胞亚群，由此引发的免疫抑制是导致慢性淋巴细胞白血病进展的主要因素之一[9]。研究发现，在富含乳酸的培养基中，CD4+T细胞的抗肿瘤活性也能被乳酸抑制[10]。

有研究发现，中和肿瘤酸性环境，可以提高免疫治疗的抗肿瘤反应，如细胞外酸中毒时可诱导人类和小鼠的肿瘤特异性CD8+T细胞进入无功能状态，而应用质子泵抑制剂治疗后可部分恢复T细胞免疫功能[11]。SUKUMAR等[12]研究证实，增加乳酸含量可以促使CD8+T细胞走向终分化状态，严重损害CD8+T细胞形成长期记忆及其抗肿瘤功能，而糖酵解抑制剂2-脱氧葡萄糖存在下，CD8+T细胞活性被激活，记忆细胞的生成能力和抗肿瘤功能则增强，以上结果对于提高基于T细胞治疗癌症的疗效具有重要意义。

在TME中，调节性T细胞（regulatoryTcell,Treg）表现出负性调节作用，其扩增激活会抑制CD4+T和CD8+T细胞的活化，抑制其在TME中的抗肿瘤活性[13]。首先，mTOR信号驱动的Treg高速糖酵解不仅会在代谢上限制T淋巴细胞等抗肿瘤细胞活性，还会为Treg的增殖和从胸腺向肿瘤周围的迁移提供能量[14,15]。此外，乳酸诱导的缺氧诱导因子1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α）通过诱导肿瘤相关巨噬细胞（tumour associated macrophages,TAM）中的髓样触发受体-1 (triggering receptor expressed on myeloid cells-1,TREM-1）表达，募集并启动Treg的免疫抑制作用[16]。也有研究显示甲基化水平与Treg比例呈负相关，即叉头状转录因子-3(forkheadtranscriptionfactorprotein-3,FOXP-3）甲基化水平越低，Treg细胞比例越高，肿瘤恶性程度越高[17]。

TME中乳酸的产生也降低了NK和NKT细胞的抗癌能力，促进肿瘤生长[18,19]。TME中的弱酸性环境抑制炎症细胞因子的释放，这些细胞因子是T辅助细胞极化和炎症DC分化所必需的趋化因子[20]。FISCHER等[21]的研究表明，乳酸通过抑制T淋巴细胞增殖和细胞因子来增加免疫抑制和肿瘤生长。LIN等[22]发现乳酸抑制DC分化并使其耐受。与此同时，乳酸也使IL-10产生增加，而IL-10可能逃避NK细胞的免疫监测。TME中的TAM有两种类型：抑制癌细胞增殖的传统M1表型和执行完全相反功能即促进癌细胞生长和转移的M2表型。研究提示，TAM功能可能被肿瘤源性乳酸抑制，即乳酸可以通过乳酸-ERK/STAT3信号通路的激活，驱动巨噬细胞M2极化，从而促进乳腺癌的增殖、迁移和血管生成[20,23,24,25]。在乳腺癌细胞的TME模型中，乳酸还可以促进趋化因子配体5的释放，增加细胞运动性并诱导乳腺癌细胞发生上皮-间充质转化，抑制免疫，促进肿瘤进展。另外，细胞外酸化也可通过抑制mTOR抑制NK细胞的抗肿瘤活性[26,27]。

综上，乳酸作为一种代谢产物，不仅作为底物为肿瘤细胞生长发育提供能量，而且作为重要的信号分子影响甚至直接负性调节TME中的免疫细胞生物学功能[28]。因此，中和酸性环境和/或抑制乳酸代谢基因功能等，可能从克服免疫逃逸方面治疗肿瘤。

2.2 乳酸间接参与TME中免疫细胞功能抑制

2.2.1 乳酸作为肿瘤的代谢能源同时介导免疫抑制

长期以来，乳酸在人类肿瘤中的存在及作用一直被忽视。在禁食的肺癌和胰腺癌肿瘤基因工程小鼠中研究发现，循环乳酸对三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle,TCA）中间产物的贡献超过葡萄糖。因此，糖酵解和TCA循环在乳酸水平上是解偶联的，循环乳酸是大多数组织和肿瘤中主要的TCA底物[29]。有趣的是，乳腺癌细胞在不同浓度的葡萄糖条件下均能产生高浓度乳酸，但是当葡萄糖被剥夺以后，肿瘤细胞转向利用乳酸，为肿瘤细胞代谢提供物质和能量[30]。后续的研究也进一步证明，乳酸无论是作为TCA循环中间物代谢物还是作为代谢调控分子，都能发挥能源物质的作用进而促进肿瘤进程[31]。

大量研究证实，乳酸为肿瘤代谢提供能源的同时，在其局部乳酸环境中起免疫抑制作用，且与乳酸浓度一定相关性[28,32,33]。有氧糖酵解是T细胞具有效应功能所特别需要的，当葡萄糖被剥夺时，则会抑制T细胞中的钙信号传导、IFN-γ的生成和细胞毒性能力[34]。XIA等[35]研究表明，在乳酸代谢过程中，降低了自体T细胞中自噬因子FIP200的表达，从而诱导了T细胞凋亡，即肿瘤可通过代谢靶向初始T细胞来实现免疫抑制，同时也阻止了T细胞和NK细胞中活化T细胞核因子（nuclear factor of activated T-cells,NFAT）的上调，导致IFN-γ产生减少，引起免疫抑制；如靶向抑制乳酸脱氢酶A(lactate dehydrogenase A,LDHA），则可恢复TME中的T细胞浸润和效应功能[36]。所以，乳酸是肿瘤代谢特殊的能量供给，同时抑制肿瘤免疫，引起免疫逃逸。

2.2.2 乳酸为肿瘤进展提供酸性环境同时介导免疫抑制

研究显示，高浓度乳酸形成的pH 6.0～6.6酸性环境也可促进肿瘤细胞增殖、侵袭、转移、逃避凋亡和免疫逃逸[37,38]。碳酸酐酶IX(carbonic anhydraseⅨ，CAⅨ）是实体肿瘤细胞在氧气含量低时赖以适应和生存的关键酶，充当了细胞外pH调节剂，通过催化产生的乳酸维持肿瘤细胞外酸性pH，有利于肿瘤细胞侵袭和转移[39,40]。然而，乳酸为肿瘤进展提供了酸性环境的同时也促进了酸性条件下的免疫逃逸，BOGDANOV等[38]证实，癌细胞通过激活和表达质子和乳酸转运体及交换体，在环境中形成pH梯度（即细胞外和细胞内pH分别为酸性和碱性），低pH条件下效应T细胞的功能活化产生负面影响，刺激Treg，促进其表达程序性细胞死亡受体1，从而抑制免疫功能。TME中低pH，可下调诱导型一氧化氮合酶、趋化因子配体2和IL-6在M1巨噬细胞中的表达，增加了M2巨噬细胞标志物在TME中的表达，从而诱导免疫逃逸。TME中的低pH值可以独立地改变巨噬细胞表型及功能，特别是诱导M2极化[41,42]。PÖTZL等[43]通过在淋巴瘤小鼠模型中口服碳酸氢盐实验，即将TME的pH从酸性6.5～6.9提高到生理状态pH=7.2～7.5时，NK细胞产生IFN-γ增加，肿瘤生长被延迟，证明酸性TME对NK细胞抑癌活性的影响又是可逆的。所以，乳酸堆积导致TME的酸性环境，不只是一种酸中毒表现，更是免疫逃逸、肿瘤进展的促发因素，而简单易行的酸性环境的中和为免疫细胞活性的恢复又提供了可能。

2.2.3 乳酸参与肿瘤治疗耐药及免疫抑制

API-CELLA等[44]证明在长期使用酪氨酸激酶抑制剂（tyrosine-kinase inhibitor,TKIs）治疗的状态下，EGFR或间质表皮转化因子（mesenchymal-epithelial transition factor,METF）依赖的癌细胞表现出向增加糖酵解和乳酸生成的代谢方向转变，激活癌细胞中的MET依赖信号通路，持续对TKIs治疗抵抗。HE等[45]研究显示，ErbB2通过HSF1/LDHA轴介导的糖酵解促进了乳腺癌细胞的转移潜力及治疗耐药。DÜVEL等[46]通过基因组学、代谢组学和生物信息学方法的结合，证实通过激活影响HIF-1α代谢基因靶标的转录程序，上调mTORC1表达，激活糖酵解途径，可促进细胞增殖及耐药。因此，乳酸的代谢与肿瘤靶向治疗耐药相关。

当肿瘤细胞乳酸的产生增加时，使调节剂家族蛋白在癌细胞质膜上表达，包括CAIX、钠氢逆向转运蛋白-1(recombinant sodium/hydrogen exchanger-1,NHE-1）和单羧酸转运蛋白（monocarboxylate transporter,MCT），尤其是MCT1和MCT4，这些活性蛋白可导致乳酸从细胞质中外溢，引起TME中细胞内液碱化和细胞外液酸化，增强了对放疗和化疗的治疗抵抗[47,48,49,50]。

LDH可直接或间接参与乳酸的转化和产生，从而导致耐药[51]。研究表明，LDH在几种耐药细胞中被上调，升高的LDH水平和乳酸水平可介导前列腺癌细胞对多西他赛的耐药性、口腔癌和乳腺癌细胞对紫杉醇的耐药性，以及软骨肉瘤细胞对多柔比星的耐药性[52,53,54,55]。而通过靶向乳酸脱氢酶、下调乳酸生成后可对化疗药物进行增敏或逆转耐药[53]。

然而，一些研究表明，乳酸导致的肿瘤耐药也与TME中免疫细胞功能失调相关。如在乳腺癌中，足够浓度下的乳酸，可以与GPR81结合，通过激活TME中的GPR81受体，从而诱导PD-L1产生，抑制抗原呈递细胞向其他免疫细胞呈递肿瘤特异性抗原，从而促进肿瘤细胞的免疫逃逸，导致肿瘤耐药，同样，在肺癌中也发现了类似的作用[56,57,58]。当糖酵解中间体磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate,PEP）水平降低时，对T细胞功能有多重影响，包括NFAT分子介导的转录减少、T细胞活化降低和抗肿瘤免疫受损等[59]。另有研究发现，肿瘤中乳酸酸化诱导的cAMP依赖性蛋白激酶信号传导被视为一种有效的免疫抑制机制，同时该发现也为肿瘤免疫治疗提供了新的技术和治疗靶点[60]。BRAND等[36]和HUSAIN等[61]在小鼠黑色素瘤模型研究中发现，LDHA介导肿瘤细胞中乳酸的产生和随后的酸化可以限制IFN-γ的产生及TME内T细胞浸润，阻止NK细胞活化，导致免疫监视功能丧失，从而促进肿瘤生长及耐药。

新近研究也解释了乳酸如何阻碍免疫细胞功能而导致耐药的机制，包括乳酸抑制免疫细胞的增殖与存活、诱导免疫细胞去分化、阻止肿瘤特异性抗原向其他免疫细胞的呈递等[57,62,63]。

相反，一项临床前试验表明，MCT1抑制剂AZD3965与抗PD-1联合治疗可减少实体瘤Tim-3+耗竭T细胞的浸润，从而提高抗肿瘤免疫能力，克服肿瘤耐药[64]。另有一项研究提示，抗CTLA-4抗体治疗可改善糖酵解缺陷肿瘤小鼠的预后，表明肿瘤对葡萄糖的竞争减少可能会增强CTLA-4阻滞剂的治疗效果，即抑制乳酸的生成，可上调肿瘤免疫治疗的疗效[65]。乳酸是肿瘤发生抗药性的关键代谢产物，调控或干扰乳酸稳态、上调免疫功能可能是未来临床上癌症治疗的潜在手段。

2.2.4 乳酸参与蛋白质的乳酸化修饰促进肿瘤进展及介导免疫抑制

乳酸衍生的组蛋白赖氨酸残基乳酸化是一种表观遗传修饰，直接刺激染色质的基因转录，促进肿瘤进展[63,66,67]。值得注意的是，组蛋白赖氨酸乳酸化被确定为一种新的表观遗传修饰，为乳酸的作用机制提供了新的视角。

JIE等[68]发现组蛋白乳酸化进一步促进ytYTHN6-甲基腺苷结合蛋白2(YTHDF2）的转录，诱导肿瘤发生，证明组蛋白乳酸化可以促进癌基因表达并驱动肿瘤进展。当细胞环境优先表现为有氧糖酵解时，通过Warburg效应，肿瘤干细胞（cancer stem cells,CSCs）的核苷酸生物合成和细胞抗氧化能力被增强，其介导SIRT6基因调节CSCs细胞增殖的能力，提示CSCs的有氧糖酵解在肿瘤的发生、发展中起到有效的调节作用，其产物乳酸可作为一种表观遗传调节分子来修饰组蛋白内酯化，从而调节肿瘤相关的基因表达。随着大量研究结果被报道，发现乳酸可能通过激活组蛋白内酯化修饰促进胃癌的发展、促进非小细胞肺癌细胞中组蛋白乳酸化介导的基因表达、提高LINC00152启动子中组蛋白的乳酸化水平，促进癌细胞的侵袭和转移等[63,69,70]。

当然，乳酸是肿瘤微环境中的关键代谢产物，不仅通过乳酸化修饰影响肿瘤细胞本身的行为，还可以调节免疫细胞功能来促进肿瘤的免疫逃逸。如乳酸通过其对组蛋白和非组蛋白的乳酸化修饰，直接影响肿瘤细胞的表观遗传状态和转录活性，从而促进肿瘤的增殖、侵袭和转移[63,68]。在肿瘤细胞中，乳酸化修饰主要发生在组蛋白H3的K18位点上，而这种修饰会改变染色质的结构，从而调节与肿瘤发展相关的基因表达。例如乳酸化的组蛋白可以促进肿瘤细胞中与细胞周期、DNA修复和代谢重编程相关基因的表达[33,71]。此外，乳酸还能影响TME中的免疫细胞来促进肿瘤的免疫逃逸。乳酸不仅能抑制免疫细胞如T细胞和NK细胞的活性，还能乳酸化修饰改变肿瘤相关巨噬细胞和DC的表型，使其向免疫抑制型细胞转化，从而促进肿瘤细胞逃避免疫监视[72,73]。乳酸化修饰还与肿瘤细胞的代谢重编程密切相关。在肿瘤细胞中存在Warburg效应，即使在氧气充足的条件下，肿瘤细胞也倾向于通过糖酵解而非氧化磷酸化来产生能量，从而产生大量的乳酸，这种代谢重编程不仅为肿瘤细胞提供能量，还通过乳酸化修饰影响肿瘤细胞的表观遗传状态和免疫微环境[74,75]。其中，肿瘤浸润髓（tumor-infiltrating myeloid,TIM）细胞也受到组蛋白乳酸化的调节，导致免疫逃逸，如通过H3K18的乳酸化诱导TIM中甲基转移酶样3(methyltransferaselike 3,METTL3）表达上调，介导了组蛋白乳酸化诱导的RNA m6A修饰作用，从而促进了TIM的免疫抑制功能[76]。

因此，乳酸参与的乳酸化修饰可直接促进肿瘤细胞的恶性行为，抑制TME中的免疫细胞功能。故针对乳酸及其乳酸化修饰的研究，可能为肿瘤治疗提供新的策略和靶点[77]。

2.2.5 乳酸参与肿瘤血管生成及介导免疫抑制

在TME中，血管内皮生长因子的表达直接受酸性微环境的影响[78]。高乳酸水平会激活内皮细胞产生血管内皮生长因子（vascularendothelialgrowth factor,VEGF）和成纤维细胞生长因子-β(fibroblast growth factor-β,FGF-β)[79,80]。VEGF和FGF-β刺激内皮细胞的增殖和运动以及血管系统的出芽，促进肿瘤细胞的增殖、浸润、耐药等。乳酸的过量产生也会导致肿瘤相关巨噬细胞产生VEGFA，这会进一步激活肿瘤淋巴管和血管的形成[81,82,83]。

缺氧和/或HIF-1α可直接或间接促进VEGF的表达和VEGFR的激活，从而促进持续的肿瘤内血管生成，支持肿瘤的进展和转移[84,85]。在癌症中，乳酸可通过抑制HIF-1α脯氨酸的羟基化作用，诱导VEGF的形成。内皮细胞中的乳酸过量产生会在常氧环境中以正反馈回路激活HIF-1α，从而激活促血管生成基因，例如VEGFR2[86,87]。也有研究表明，常氧状态下酸性环境中乳酸的增加和HIF-1α的过表达诱导了VEGF在常氧条件下的促血管生成[88]。

COLEGIO等[24]发现，乳酸在肿瘤环境中具有独立于酸度的一种新的信号传导作用，如乳酸/HIF-1α/VEGF信号轴的激活促进了缺氧状态下诱导VEGF表达和TAM极化，使M1样表型分化为促进癌细胞生长和转移的M2样表型，从而形成免疫抑制TME[67,89]。此外，乳酸还通过直接作用于内皮细胞刺激肿瘤血管生成，间接促进M2样肿瘤相关巨噬细胞生成[90]。乳酸也可通过增加巨噬细胞中VEGF含量，增强巨噬细胞中精氨酸酶-1表达，从而增强对T淋巴细胞的免疫抑制，导致肿瘤细胞增殖[51]。最近的研究表明，肿瘤细胞分泌的乳酸激活单核/巨噬细胞和肿瘤浸润免疫细胞，增强IL-23p19的转录和IL-23的产生，从而增加Th17细胞分泌IL-17的水平，而IL-17又可通过促进细胞毒性T细胞反应和促进血管生成对肿瘤生长具有双重作用[91,92]。本课题组前期研究也发现，恶性胸水微环境中存在高乳酸含量、高VEGF含量、低CD4+T/CD8+T呈共存状态，且该群体患者预后差，从临床角度也证实了三者的关系[93]。因此，TME中的乳酸通过直接或间接途径刺激VEGF生成，导致肿瘤细胞增殖、进展、免疫逃逸等。

3、结语

总之，乳酸经历了从仅仅被视为细胞新陈代谢的废物，到被证明其可在TME中发挥着极其复杂作用的过程，且在微环境中的每个作用并不完全独立存在，而是在不同程度时间及空间上交联在一起，破坏微环境稳态，并导致免疫逃逸，对促癌、致癌、肿瘤耐药等起到至关重要的作用。酸性环境是TME中的背景环境，糖酵解途径乳酸的产生是该环境形成的关键环节，其直接或间接地阻碍了免疫细胞的抗肿瘤活性[94]。鉴于乳酸代谢抑制剂应在临床实践中的进一步探索，免疫检查点抑制剂在临床抗肿瘤中广泛地应用，在TME中开展靶向乳酸的肿瘤治疗研究，可能为肿瘤治疗提供潜在的靶点，尤其是与肿瘤经典药物治疗、抗血管生成治疗、分子靶向药物治疗和创新药物免疫检测点抑制剂治疗等有机结合，可进一步完善肿瘤的个体化综合治疗，最大限度改善患者的预后[95,96]。

基金资助:吉林省科技发展计划项目(20230402007GH);

文章来源:苑思羽,侯俊杰,张片红.代谢“废物”乳酸在肿瘤微环境中的免疫抑制作用[J].中国免疫学杂志,2024,40(04):832-839.