Nature综述珍藏版！肿瘤中的免疫细胞代谢学术资讯

来源：精准医学与蛋白组学

肿瘤中特定氨基酸的积累也可以抑制Teff细胞反应。在这方面，研究得最好的是色氨酸代谢产物，尤其是犬尿氨酸，其作用是通过IDO1的活性产生。与对照相比，犬尿氨酸在体外引起活化CD8 + T细胞上PD1协同抑制途径的上调。与对照相比，在用外源性犬尿氨酸处理的小鼠模型中，在肿瘤浸润的CD8 + T细胞上也观察到PD1的这种上调。来自经犬尿氨酸处理的荷瘤小鼠的肿瘤浸润CD8 + T细胞产生的IFNγ和TNF较少。
在报道说明癌细胞通过释放竞争性代谢物（R）-2-羟基戊二酸酯（R-2-HG）抑制T细胞活性。这种代谢物可以抑制表观遗传的双加氧酶，例如组蛋白脱甲基酶，从而导致甲基化增强和转录修饰。由异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变的人脑胶质瘤产生的R-2-HG在体外研究中被T细胞吸收。R-2-HG在体外干扰活化CD4 +和CD8 + T细胞的增殖，T细胞受体信号传导，NFAT活性和多胺生物合成。在IDH突变的神经胶质瘤小鼠中R-2-HG释放入TME抑制补体介导的抗肿瘤反应以及T细胞迁移，增殖和细胞因子分泌。这些研究突出了TME内癌症代谢物和免疫功能之间的复杂相互作用（图2）。
高度坏死导致TME中钾的含量增加，从而限制了T细胞效应功能。该状态由降低的乙酰辅酶A胞质水平介导，此状态诱导了活化T细胞的表观遗传重塑，从而导致TME中Teff细胞功能异常。但是，这种功能障碍状态富含T细胞干性的特征。高钾浓度的Teff细胞在离体刺激和扩增后产生的T细胞具有更高的体内持久性，多能性和肿瘤清除能力。通过肿瘤坏死和TME固有的代谢活性产生T细胞抑制性代谢产物，是逃避肿瘤免疫的重要机制。
08 代谢和天然效应反应
由于NK细胞在主要组织相容性复合物I类（MHC-I）下调（癌细胞的常见逃避策略）期间杀死细胞，所以它们形成了先天反应的关键效应组成成分。在体外，NK细胞的细胞因子刺激（IL-12和IL-15）后，有氧糖酵解和OXPHOS在代谢上被上调。有趣的是，在体外NK细胞刺激过程中，这些细胞因子诱导的代谢变化需要SREBP转录因子。在体外，SREBP活性的药理抑制作用抑制了代谢重编程，细胞因子产生和细胞毒性，并在过继性NK细胞小鼠模型中减少了抗肿瘤反应。有趣的是，据报道内源性SREBP抑制剂（例如27-羟基胆固醇）可在TME中增加，因此可能是NK细胞抑制的机制。小鼠的肺癌进展和与肿瘤相关的转化生长因子-β（TGFβ）与肿瘤相关的NK细胞中果糖-1,6-双磷酸酶（FBP1）表达的增加有关。FBP1是糖异生的关键酶，一旦激活，FBP1会强烈抑制NK细胞的糖酵解，从而导致功能障碍和活力降低。有趣的是，FBP1的药理抑制作用足以在体外重建糖酵解代谢以及细胞因子的产生和细胞毒性，并改善过继细胞疗法小鼠模型的抗肿瘤反应。这些研究表明，通过FBP1抑制来挽救NK功能取决于葡萄糖代谢的恢复，因为用2-脱氧葡萄糖（2-DG）阻断葡萄糖代谢阻止了FBP1抑制引起的拯救。2-DG本身也导致NK细胞功能异常，这表明抑制葡萄糖代谢可能对NK细胞抗肿瘤反应产生深远影响。TME内的其他代谢紊乱也可能影响NK细胞功能。例如，精氨酸水平低会损害NK细胞的增殖和IFNγ的产生，而缺氧会抑制细胞溶解活性。在体外研究中，人类NK细胞激活受体（例如NKp46和NKp30）在响应低氧或精氨酸水平较低时受到抑制。如在TME中一样，高乳酸水平和相关的低pH值在体外研究中也抑制了NK细胞的细胞毒性，细胞因子产生和NFAT信号传导。最后，TME中腺苷水平升高可强烈抑制NK细胞效应功能和增殖。
其他先天细胞，巨噬细胞和DC也会在激活时引发特定的代谢程序。在早期的体外研究中，将巨噬细胞分为炎性（M1）或免疫抑制（M2）表型，但很少有证据表明这些极化表型在体内发挥着独特的作用。最近发现了以不同转录状态为特征的一系列巨噬细胞表型。也就是说，具有炎性特征的巨噬细胞在抗肿瘤免疫中发挥重要作用。葡萄糖代谢是巨噬细胞中炎症表型的重要方面。被Toll样受体激动剂激活后，这些细胞显示出糖酵解基因的表达增加，葡萄糖摄取的高水平，乳酸的产生增加以及谷氨酰胺过表达。这种代谢重编程导致琥珀酸水平升高，从而通过稳定HIF-1而增加了炎性细胞因子IL-1β的表达。炎性巨噬细胞还特别依赖于PPP来产生NADPH，13C-葡萄糖示踪研究证实，通过激活培养物中的炎性表型，通过该途径的葡萄糖路径增加。NADPH对于产生高水平的ROS（作为氧化性爆发的一部分）是必需的，这是这些细胞的关键效应机制。精氨酸也是促炎性“ M1”巨噬细胞功能中的关键营养物质，因为在体外研究中，精氨酸比其他活化或“ M2”极化巨噬细胞表达更高水平的诱导型一氧化氮合酶（iNOS）。iNOS需要精氨酸才能产生细胞毒性一氧化氮，这是抗肿瘤反应的重要促炎介质。
TME中特定的营养缺乏，特别是葡萄糖和精氨酸，会严重限制这些细胞中新陈代谢和效应程序。葡萄糖限制不仅可以整体抑制糖酵解，而且可以降低PPP活性和TCA循环功能，从而限制了NADPH，ROS和琥珀酸酯的生成，所有这些都可以严重限制M1巨噬细胞的功能。2-DG的糖酵解抑制作用显着减少了巨噬细胞促炎细胞因子的分泌。
DC是参与抗肿瘤应答的一类重要的抗原呈递细胞，能够进行抗原交叉呈递的肿瘤内DC已作为这种反应的重要组成部分。激活后，DC会成熟并允许抗原加工并呈递给T细胞。该反应与从OXPHOS到有氧糖酵解的代谢转换相关，其由HIF-1α响应体外LPS激活，并由PI3K-AKT途径响应Toll样受体体外刺激介导。在DC激活过程中，这种转换为糖酵解作用并远离OXPHOS的过程对于DC存活，刺激性细胞因子的产生以及T细胞的激活至关重要。有趣的是，AMPK的药理学激活可促进线粒体的生物发生和氧化呼吸，并足以在体外阻止DC成熟。鉴于这种对有氧糖酵解的关键依赖性，TME中的葡萄糖竞争可能会显着抑制DC激活和生存能力，从而限制DC促进有效和持久性T细胞反应的能力。
// 3 //癌症免疫逃逸的新陈代谢
01 适应性免疫抑制的代谢
免疫抑制性Treg细胞优先依赖TCA循环和线粒体呼吸。尽管初步研究表明Treg细胞对FAO的依赖性并未说明依托莫昔的脱靶作用，但其他研究表明，FAO确实支持Treg细胞中的OXPHOS，尽管不是唯一途径。与Teff细胞相反，Treg细胞在体外显示降低葡萄糖摄取并表达较低水平的GLUT1的表达。有趣的是，尽管糖酵解似乎并未在Treg细胞分化或长寿表型中发挥关键作用，但据我们发现，一部分高活性Treg细胞（称为效应Treg细胞）依赖于糖酵解的上调以获得最佳功能。Treg细胞似乎具有新陈代谢的灵活性，可以在相对苛刻和异质的条件下（例如TME）生长。为此，据报道，Treg细胞转录因子FOXP3通过抑制MYC（有利于OXPHOS和NAD（H）氧化）来重新编程细胞代谢。在低葡萄糖和高乳酸的条件下（例如在TME中发现），这些适应作用使这些免疫抑制细胞具有代谢优势，从而使Treg细胞能够在体外抵抗乳酸诱导的功能性和增殖性抑制（不同于Teff细胞）。在体外实验中，培养基中的葡萄糖或谷氨酰胺缺乏（导致细胞内αKG减少）可以改变CD4分化并促进Treg细胞的发育。
与Teff细胞相似，Treg细胞对缺氧的反应尚不完全清楚。缺氧已显示可促进细胞因子介导的Treg细胞募集进入肿瘤环境。FOXP3转录本实际上是响应HIF-1α诱导而增加。此外，与野生型对照相比，过继转移的Treg细胞特异性Hif1敲除细胞在小鼠模型中未能迁移到脑肿瘤中，在用二氯乙酸酯处理的Treg细胞中也观察到糖酵解受到抑制。有趣的是，在混合淋巴细胞培养实验中，通过Treg细胞上腺苷受体A2A的低氧反应性腺苷信号传导诱导了增殖，并显着增强了免疫调节活性。有文献报道低氧诱导的HIF-1α可以破坏Treg细胞的稳定性，并表明低氧可以通过直接HIF-1α与分别定义细胞亚型的转录因子FOXP3和RORγt的直接相互作用来促进TH17 CD4 + T细胞。
TME中氨基酸的独特代谢也可以对Treg细胞产生深远的影响。IDO1活性可以在体外强烈促进Treg细胞分化，这种作用似乎是色氨酸缺乏症以及下游代谢产物（如犬尿氨酸）的产生所致。
02 天然免疫抑制的代谢
TAM表型为高度免疫抑制。像Treg细胞一样，M2巨噬细胞上调FAO和线粒体呼吸。尽管早期研究表明FAO必须在M2巨噬细胞中发挥作用，但并未考虑到CPT1A抑制剂etomoxir的脱靶作用，但由于过表达Pgc1α引发巨噬细胞而导致免疫抑制表型，并且抑制促炎细胞因子的产生。M2巨噬细胞以不同于炎性巨噬细胞的方式代谢氨基酸，表达高水平的精氨酸酶1（ARG1），这会消耗精氨酸并生成多胺，多胺是伤口愈合的重要介质，但也具有高度免疫抑制作用。
另一组与肿瘤相关的免疫抑制先天细胞MDSC似乎具有高代谢活性。与周围的MDSCs相比，与肿瘤相关的MDSCs中有氧糖酵解和OXPHOS均上调。在另一项研究中，与来自相同小鼠的脾嗜中性白细胞相比，来自荷瘤小鼠脾脏的粒细胞MDSCs也显示出有氧糖酵解和OXPHOS的增加。有趣的是，在小鼠乳腺癌模型中，MDSC的体外扩增和在TME中的蓄积可通过用2-DG阻断糖酵解来减弱，这很可能是由于这些细胞中的ROS水平升高所致。

肿瘤中的缺氧区域与巨噬细胞的积累有关，它们在巨噬细胞中通过产生与肿瘤转移有关的血管生成因子，促有丝分裂因子和细胞因子来协助肿瘤的发展。此外，缺氧可促进免疫抑制巨噬细胞表型的产生。缺氧可产生腺苷，可通过巨噬细胞上的A2A和A2B受体触发信号传导，这两者均可增强免疫抑制巨噬细胞的分化和功能能力，并减弱体外炎性巨噬细胞的细胞因子释放。已证明培养物中乳酸的升高可促进M2表型，增加ARG1表达和多胺依赖性免疫抑制。在三阴性乳腺癌中，较高的糖酵解率显示出促进MDSCs，而在这些癌细胞中限制糖酵解则抑制了癌细胞中粒细胞集落刺激因子和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子的分泌，并限制了MDSC的发育。有趣的是，与常氧性MDSCs相比，低氧使MDSCs趋向于具有免疫抑制性的M2样TAM表型。这是通过HIF-1α机制引发，因为在小鼠黑素瘤肿瘤模型中，与野生型MDSC相比，Hif1a基因敲除的MDSCs显示出肿瘤生长增加。
03 利用不同代谢的可塑性
虽然可以通过抑制许多代谢途径来减弱Teff细胞的激活，增殖和功能，但是其他属性，例如重新刺激时的长期生存力或效应功能可能增强。尽管用2-DG抑制糖酵解代谢抑制了Teff细胞的产生，但它也使T细胞趋向于长效记忆表型。有趣的是，在再次输注用于肿瘤治疗之前，在离体T细胞活化和扩增过程中阻断糖酵解，不仅可以提高抗肿瘤T细胞的存活率，还可以改善细胞因子的产生和细胞毒性。此外，有研究证明了该途径在维持谷氨酰胺阻断的CD8 + T细胞中维持代谢稳态方面的重要性。这些发现可能表明一种普遍的治疗策略，即阻止使用典型的代谢燃料（例如葡萄糖或谷氨酰胺）可能使某些癌症在代谢上受到损害，但鉴于抗肿瘤性T细胞使用其他来源的能力，它们可能会在代谢方面保持完整和正常运转，如醋酸盐。尽管可以通过药理学方法将特定的代谢干预作为检查点封闭的辅助手段引入，但这些靶点可能特别适用于CAR T细胞疗法，其中可以通过遗传手段精确定义代谢途径。
04 免疫检查点封闭与免疫代谢
定义检查点疗法的代谢后果和其反应后的代谢情况都非常有意义。在多项研究中，检查点信号已显示出调节代谢的作用。例如，癌细胞上PDL1的表达可以驱动癌细胞中Akt-mTOR的活化和糖酵解，增加葡萄糖的摄取并增强与T细胞竞争葡萄糖的能力。人胃癌组织中T细胞中的CD155-TIGIT信号传导抑制了葡萄糖的摄取，乳酸的产生以及糖酵解酶GLUT1和HK2180的表达。相反，与同种型处理的对照T细胞相比，共刺激途径GITR的激动作用广泛提高了T细胞的代谢活性和增殖。最后，活化的人T细胞上的体外PD1和CTLA4信号抑制了与T细胞活化相关的代谢途径，如有氧糖酵解。为此，将代谢抑制剂与检查点抑制剂结合使用的前景有望提高检查点封闭的疗效。同样，通过对T细胞进行代谢重编程以使其更强大，持久的记忆细胞可能会改善其对检查点抑制剂的反应。最近的临床试验预示了抗叶酸培美曲塞与抗PDL1免疫检查点封闭的结合。除具有直接的抗肿瘤作用外，培美曲塞治疗还增强了抗肿瘤CD8 + T细胞的代谢适应性和效应功能，并诱导了癌细胞的免疫细胞死亡，从而触发了免疫反应。
结论与展望
免疫代谢的基础已从癌症代谢的观察中获悉，而癌症与免疫代谢重编程之间存在的明显差异能够为靶向代谢提供机会，以此作为增强免疫疗法功效的手段（图3）。这种方法可以通过许多不同的策略来实现。这些措施包括：靶向肿瘤代谢程序以抑制生长和改变TME；靶向抑制性免疫细胞的代谢以抑制其功能；以及靶向效应细胞代谢以增强肿瘤杀伤力。同样，在过继细胞治疗之前，T细胞代谢途径的体外药理或基因重编程也可以增强其功能，包括延长寿命或增强效应功能。

图3 增强癌症免疫反应的潜在代谢靶点
未来工作应集中于TME内免疫细胞和癌细胞的代谢相互依赖性。除了营养消耗和可以抑制一定浓度下的免疫反应的代谢产物产生之外，癌细胞还可以与TME中的其他细胞发生代谢扰动，其中可以诱导并共同的代谢程序，从而有利于恶性进展。据报道，胰腺星状细胞可以为癌细胞提供丙氨酸，并且已经报道了骨髓基质细胞提供半胱氨酸以促进慢性淋巴细胞性白血病细胞的存活。在另一份报告中，来自癌细胞谷氨酰胺代谢的氨通过TME扩散并触发了与癌症相关的成纤维细胞的自噬，这反过来又提供了蛋白质分解产物，例如谷氨酰胺本身，以进一步支持癌细胞代谢。重要的是，科学家们应深入了解逃避免疫的癌症是否以及通过何种机制选择免疫细胞的代谢机制，并从其显着的代谢灵活性中受益。

来源：ptm-biolab 精准医学与蛋白组学

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