腫瘤微環境中膠質瘤細胞和免疫細胞代謝對抗腫瘤免疫的調控作用

張一鳴 于圣平 劉沛東 李濤 張亮 解楊 李佳博 張錦浩 樊曉光 楊學軍

膠質瘤細胞和膠質瘤微環境的代謝重構是影響膠質瘤生長、轉移和免疫治療效果的關鍵因素。膠質瘤細胞與腫瘤浸潤淋巴細胞（TIL）共同競爭氧氣和營養物質并產生免疫抑制性代謝產物，細胞間競爭所產生的代謝產物又可影響腫瘤微環境（TME）中免疫細胞的分化和功能。腫瘤微環境中存在糖代謝、脂代謝、氨基酸代謝等多種代謝調控機制，其中的糖代謝改變與腫瘤的發生發展高度相關；針對膠質瘤整體代謝的研究分析顯示，膠質瘤細胞代謝重構可影響膠質瘤進展。因此，腫瘤微環境代謝改變在腫瘤免疫調節中發揮重要作用［1］。

一、膠質瘤微環境

膠質瘤微環境是指與膠質瘤發生、生長和轉移有密切聯系的內外環境，包括腫瘤所在組織結構、功能和代謝，以及膠質瘤細胞自身（胞核和胞質）內在環境［2］。小生境（microhabitat）是一種特殊的微環境，可以通過細胞間直接接觸和分泌細胞因子兩種形式調節腫瘤干細胞（TSCs）。在腫瘤微環境中，小生境是解剖學上獨特的微環境。膠質瘤干細胞（GSCs）小生境內的細胞可分泌多種細胞因子，如血管內皮生長因子（VEGF）、缺氧誘導因子（HIF）、纖維母細胞生長因子2（FGF2）等刺激膠質瘤干細胞自我更新、誘導血管生成、募集免疫細胞，以促進腫瘤細胞侵襲和轉移。

1.膠質瘤干細胞與干細胞微環境 膠質瘤干細胞存在于腫瘤微環境不同區域的小生境中［3］，這些小生境維持膠質瘤干細胞的基本特性，保持其表型的可塑性，從而使其有效逃避免疫系統的監視［4］。膠質瘤干細胞具有高適應性、高可塑性、較強自我更新能力、無限增殖能力和多向分化潛能，這些特性使其可以在惡劣條件下生存，同時，也提示干細胞微環境是維持干細胞特性、代謝可塑性的必要條件［5］。膠質瘤干細胞與其所處微環境之間存在緊密聯系。在干細胞微環境中，膠質瘤干細胞可以誘導骨髓來源單核細胞和小膠質細胞分化為腫瘤相關巨噬細胞（TAMs）［6］，后者為腫瘤微環境中的主要炎性細胞群，多種證據表明，TAMs具有促進腫瘤發生、生長、侵襲和轉移的作用，影響腫瘤代謝。

2.腫瘤微環境中免疫細胞的代謝調控 腫瘤細胞需消耗大量營養物質以滿足自身代謝的需要，腫瘤代謝之可塑性使其能夠更好地適應貧乏或不斷變化的營養環境，而營養環境又反過來重塑腫瘤免疫微環境［7］。腫瘤免疫微環境分為抗腫瘤免疫微環境和促腫瘤免疫微環境。腫瘤微環境中的膠質瘤相關小膠質細胞/巨噬細胞（GAMs）、調節性T細胞（Treg）的促腫瘤作用和自然殺傷（NK）細胞的失活均可使機體的抗腫瘤作用減弱，與膠質瘤免疫抑制微環境的形成有著密切聯系［8］。（1）GAMs：是兩種具有相似免疫調節作用的細胞群，在不同刺激因素的作用下，巨噬細胞既可活化為具有更強促炎癥反應的M1型，也可活化為具有抗炎癥反應的M2型［9］。膠質瘤干細胞釋放的集落刺激因子1（CSF1）和CC趨化因子配體2（CCL2）趨化 GAMs，GAMs促進腫瘤細胞和腫瘤間質細胞釋放促血管生成因子，繼而促進新生血管形成，并形成有效的循環機制，促進免疫抑制微環境的形成［6］。單核細胞趨化蛋白?1（MCP?1）作為GAMs最主要的化學誘導物不僅可促進新生血管形成，同時還可增強膠質瘤細胞增殖侵襲能力和提高Treg細胞浸潤能力，其表達變化與膠質瘤分級相關，膠質瘤干細胞通過表達MCP?1、VEGF、基質細胞衍生因子?1α（SDF?1α）等生長因子，在缺氧小生境中募集GAMs，進而促進腫瘤的發生與發展［10］。（2）Treg細胞：是一類能夠控制體內自身免疫反應的T細胞亞群，有研究顯示，將腫瘤保護性Treg細胞植入TIL細胞，可以誘導前者表達免疫抑制表型［11］。白細胞介素?10（IL?10）可以通過抑制抗原呈遞細胞（APC）和Treg細胞、調控T細胞增殖以發揮免疫抑制作用。研究顯示，IL?10的產生與GAMs經信號轉導與轉錄激活因子3（STAT3）通路轉錄有關［12］。（3）NK 細胞：具有抗腫瘤、抗病毒感染和免疫調節作用，是機體重要的免疫細胞，其免疫活性取決于激活與抑制信號之間的平衡。腫瘤微環境中的膠質瘤細胞以及其他免疫調控相關細胞［如骨髓來源抑制細胞（MDSC）、樹突狀細胞（DC）、GAMs］產生并分泌 IL?6、IL?10、轉化生長因子?β（TGF?β）、前列腺素 E2（PGE2）和吲哚胺?2，3?雙加氧酶（IDO）等細胞因子，這些細胞因子可直接或間接抑制NK細胞激活。腫瘤微環境中抑制性受體（如NK細胞活化性受體NKG2A與CD94組成的抑制性受體CD94/NKG2A）與暴露于實體膠質瘤表面的人類白細胞抗原E（HLA?E）相結合，打破NK細胞激活與抑制信號之間的平衡，從而抑制NK細胞激活。此外，腫瘤微環境還參與調控NK細胞的代謝，影響其免疫活性。除免疫抑制因子外，腫瘤微環境中還積累了大量腫瘤生長過程中的代謝產物，如腺苷和乳酸。缺氧的腫瘤微環境可使ATP和AMP釋放增加，核苷酸酶CD39和CD73催化ATP轉化為AMP，AMP在細胞外轉化為腺苷，使腺苷水平顯著升高，進而在免疫調節中發揮重要作用。研究顯示，腺苷A2A受體（A2AR）可以抑制NK細胞的免疫反應［13］。

二、腫瘤微環境中能量代謝與免疫抑制微環境的形成

1.糖代謝 膠質瘤細胞主要以糖酵解方式快速獲取能量，同時將葡萄糖轉化為乳酸。在氧氣充足的情況下，正常細胞主要通過線粒體氧化磷酸化產能，而膠質瘤細胞仍采取糖酵解方式，因此推測，有氧糖酵解可使膠質瘤細胞產生其他生物合成途徑的前體［14］。糖酵解除可為膠質瘤細胞的生長與代謝活動提供必要的能量外，還可為DNA和脂質合成提供必需的大分子物質，這種有氧狀態下的糖酵解稱為Warburg效應，不僅可以為細胞持續生長維持氧化還原平衡，同時還具有促進合成代謝功效［15］。但這種現象并不僅局限于腫瘤細胞，部分免疫細胞也可以通過增加糖酵解而獲得能量以維持細胞增殖［16］。膠質瘤細胞糖酵解作用的增強導致其微環境中葡萄糖水平減少，間接抑制免疫細胞，影響正常免疫功能。在腫瘤微環境中，膠質瘤細胞快速增殖并消耗大量葡萄糖和氧氣，可造成局部缺氧，誘導 HIF?1α、TGF?β生成，進而抑制NK細胞活性并激活免疫抑制性CD4+T細胞，導致腫瘤免疫抑制微環境［17］。腫瘤細胞糖酵解過程中代謝產物乳酸的堆積促使單核細胞分化為樹突狀細胞，通過分泌免疫抑制因子、抑制T細胞免疫應答而直接抑制免疫反應。腫瘤細胞糖代謝異常是對缺氧環境的一種適應性改變，而缺氧是腫瘤微環境典型特點之一。

2.脂質代謝 大部分腫瘤細胞脂類代謝異常主要表現為包括脂肪酸在內的脂類合成增強，而脂肪酸的分解降低。研究顯示，膠質瘤干細胞主要通過影響脂肪酸氧化所需酶的表達，參與脂質代謝的調控。在能量代謝中，肉毒堿棕櫚酰基轉移酶1A（CPT1A）可以調控長鏈脂肪酸轉運至線粒體，而CPT1C是脂肪酸β氧化的調控因子，膠質瘤干細胞通過對CPT1A和CPT1C的調控以調節膠質瘤的能量代謝［18］。研究表明，膠質瘤患者CPT1A和CPT1C均呈高表達，且CPT抑制劑作用于膠質瘤干細胞可顯著降低膠質瘤細胞總數和增殖細胞百分比［19］。膠質瘤干細胞通過上調極長鏈酰基輔酶A脫氫酶（VLCAD）同源物3的表達，使酰基輔酶A與脂肪酸結合，用于供給其他代謝途徑的需要；酰基輔酶A合成酶同源物3（ACSVL3）缺失可導致膠質瘤干細胞CD133和SOX2表達水平降低，使膠質瘤異種蛋白在動物模型中難以成瘤［20］。膠質瘤干細胞還可以通過調控膽固醇合成所需的3?羥基?3?甲基戊二酰輔酶A（HMG?CoA）還原酶，以增強腫瘤細胞對膽固醇的攝取［21］。花生四烯酸（AA）是合成前列腺素類的必要前體，而PGE2在調節炎癥反應和抗原特異性免疫應答中扮演重要角色，其不僅在Treg細胞的發育過程中起重要作用，而且可通過與細胞色素C氧化酶2（COX2）的協同作用促進腫瘤細胞免疫逃逸；有研究表明，抑制COX信號可使腫瘤重歸免疫監視，COX2抑制劑可通過抑制腫瘤微環境中的炎癥反應以達到延緩腫瘤生長的目的［22］。

3.氨基酸代謝 色氨酸是蛋白質合成的必需氨基酸，在限速酶IDO1和色氨酸?2，3?雙加氧酶（TDO）調控下代謝生成犬尿氨酸，后者可于腫瘤微環境中和免疫系統調節反應和效應反應，通過結合并激活胞內轉錄因子——芳烴化合物受體（AHR），導致T細胞衰竭與免疫抑制［23］。色氨酸的下游代謝中間產物通過激活AHR，導致IL?6表達上調，進而維持骨髓來源抑制細胞的抑制活性。精氨酸是半必需氨基酸，不僅參與機體免疫反應，而且在不同細胞中存在多種代謝途徑，由于代謝方式不同，精氨酸可導致巨噬細胞向M1型和M2型兩種類型極化，以形成不同的細胞表型［24］。M1型巨噬細胞內的精氨酸主要通過一氧化氮合酶（NOS）生成一氧化氮，具有細胞毒性，可發揮一定的抗腫瘤作用；與之相反，M2型巨噬細胞內的精氨酸在精氨酸酶的催化作用下生成鳥氨酸和尿素，表現為抗炎癥反應和抑制CD4+T細胞活性作用，從而發揮促腫瘤作用。但精氨酸在極化中發揮作用的內在機制仍然需要進一步研究［24］。此外，膠質瘤干細胞在低氧條件下尚可通過調節谷胱甘肽，使谷胱甘肽合成增加并維持在較高水平以保持氧化還原穩態，從而增強膠質母細胞瘤細胞對放化療的耐藥性［25］。

三、膠質瘤細胞與腫瘤浸潤淋巴細胞之間營養物質的代謝競爭

膠質瘤細胞因其快速增殖的特性，不斷從腫瘤微環境中攝取營養物質，產生大量代謝產物。但目前關于膠質瘤細胞與TIL細胞代謝競爭的內在機制卻知之甚少。與膠質瘤細胞一樣，TIL細胞增殖和分化需從腫瘤微環境中攝取營養物質，膠質瘤細胞的糖酵解活性可限制T細胞葡萄糖消耗，導致T細胞衰竭和免疫逃逸［26］。在腫瘤微環境中，葡萄糖被剝奪，從代謝角度限制了T細胞的活化，抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）活性，降低糖酵解能力，減少干擾素?γ（IFN?γ）產生，導致腫瘤進展。研究顯示，通過使糖酵解酶磷酸烯醇丙酮酸羧激酶1（PCK1）過表達，促進T細胞糖酵解，可使T細胞恢復抗腫瘤效應［27］。上述研究表明，腫瘤細胞競爭性利用鄰近細胞葡萄糖，以維持其增殖，同時抵制免疫細胞的抗腫瘤作用。免疫抑制細胞（如Treg細胞和骨髓來源抑制細胞）也受到腫瘤微環境中葡萄糖剝奪的影響［28］。與腫瘤細胞相似，人體內存在的天然Treg細胞和腫瘤相關Treg細胞較其他效應性T細胞（Teff）可更有效地利用糖酵解，通過葡萄糖競爭使具有免疫應答能力的T細胞衰老［29］；而Toll樣受體8（TLR8）信號阻斷糖酵解過程可逆轉Treg細胞的免疫抑制性，表明靶向該信號轉導通路可增強抗腫瘤免疫反應［30］。然而，Treg細胞對葡萄糖剝奪的敏感性低于氧化應激，導致細胞凋亡，并促進腫瘤細胞釋放ATP。失活和凋亡的Treg細胞可通過CD39和CD79將ATP轉化為腺苷，進而激活腺苷A2A信號，促進Teff細胞的免疫抑制作用［31］。與此同時，腫瘤細胞和T細胞還可以利用谷氨酰胺進行增殖，膠質瘤細胞的谷氨酸分解對補充代謝產物，以及核苷酸、氨基酸、脂肪酸和抗氧化劑谷胱甘肽的合成至關重要［32］。由谷氨酰胺衍生的α?酮戊二酸亦為含有Jumonji C結構域的組蛋白去甲基化酶（JHDMs）和甲基胞嘧啶雙加氧酶TET的必需共同底物，通過組蛋白和DNA去甲基化參與表觀遺傳調控［33］。在T細胞中，谷氨酰胺不僅具有調控mTOR活化之功效，同時還是蛋白質糖基化修飾和S?2?羥基戊二酸（S?2HG）合成的關鍵底物，其中S?2HG具有調節Teff細胞功能和分化作用。腫瘤細胞和抗腫瘤免疫細胞競爭性利用腫瘤微環境中的葡萄糖和谷氨酰胺，阻斷CD4+T細胞對谷氨酰胺的攝取，既可抑制Teff細胞的生成又不影響Treg細胞發揮其免疫功能。谷氨酰胺缺失可使T細胞增殖受限，表明谷氨酰胺是活性T細胞生物合成前體的重要來源［34］。

四、腫瘤微環境中膠質瘤細胞代謝產物對免疫細胞分化和功能的影響

膠質瘤細胞在消耗營養物質的過程中產生大量代謝產物，對腫瘤微環境中的免疫細胞功能和分化產生深遠影響。乳酸是腫瘤細胞中有氧糖酵解增加的副產物，通過降低自噬因子FIP2水平以誘導天然T細胞凋亡，同時抑制T細胞和NK細胞轉錄因子——活化T細胞核因子（NFAT）活性，從而減少IFN?γ分泌［35］。乳酸還可以抑制T細胞運動及其細胞毒性和效應功能，而靶向乳酸脫氫酶A則可恢復T細胞浸潤和效應功能。細胞外乳酸的累積通過代謝重編程、膠質瘤炎癥反應和血管生成等機制而影響膠質瘤細胞新陳代謝。乳酸通過阻斷單核細胞和T細胞激活和分化而促進膠質瘤進展與生長，并可通過HIF?1α間接促進VEGF分泌和M2型巨噬細胞極化，而由極化的M2型巨噬細胞分泌的精氨酸酶1具有促膠質瘤生長的作用［36］。M2型丙酮酸激酶（PKM2）是有氧糖酵解的關鍵限速酶，通過抑制PKM2使膠質瘤中的M2型巨噬細胞減少，細胞程序性死亡蛋白配體1（PDL1）水平下降，腫瘤微環境免疫抑制狀態得以改善，其中涉及的復雜機制尚待進一步研究［36］。

由于腫瘤細胞的脂代謝異常，脂肪酸也是腫瘤細胞代謝過程中的重要產物。有研究顯示，脂肪酸結合蛋白在腫瘤部位的表達強度明顯高于正常腦組織。脂肪酸聚集可對Teff細胞功能產生抑制作用并誘導巨噬細胞向 M2型分化［37?38］。在腫瘤相關樹突狀細胞中，氧化應激產生的脂質過氧化產物4?羥基?反式?2?壬醛（4HNE）可以誘導內質網應激和X盒結合蛋白 1（XBP?1）活化，抑制抗原提呈，從而抑制抗腫瘤免疫反應。

膠質瘤細胞可將色氨酸代謝為犬尿氨酸，一方面微環境中色氨酸的耗竭可導致Teff細胞失能，另一方面犬尿氨酸的增多可使Teff細胞增殖與浸潤減少，以發揮免疫抑制作用［39?40］，包括 IL?1、IFN?γ和腫瘤壞死因子?α（TNF?α）在內的促炎性因子均具有促進IDO表達的作用，進而導致腫瘤細胞犬尿氨酸生成增加。犬尿氨酸作為T細胞表面AHR的內源性配體，可誘導Treg細胞表達FoxP3［41］，同時還可通過阻斷IL?2而直接抑制Teff細胞功能，減少CD4+記憶性T細胞［42］。總之，膠質瘤細胞不僅可剝奪免疫細胞在腫瘤微環境中的營養物質，還可產生抑制免疫防御的代謝產物。這些代謝產物在復發膠質母細胞瘤中也同樣存在著高表達現象。

五、小結

在腫瘤微環境中，膠質瘤細胞與其他免疫細胞之間的代謝具有促進膠質瘤細胞免疫逃逸的作用。因此，探究免疫細胞獲取足夠營養以維持其抗腫瘤活性的機制至關重要。雖然膠質瘤細胞的代謝產物可影響免疫細胞的分化與功能，但仍需要進一步研究以確定代謝產物影響免疫細胞的內在機制在不同類型膠質瘤中是否有所不同。腫瘤免疫療法與代謝酶靶點抑制劑的聯合應用可維持TIL細胞的代謝適應性；但是膠質瘤細胞和免疫細胞常利用相同的代謝途徑進行增殖，因此需注意其潛在治療毒性。選擇性靶向腫瘤細胞特異性代謝標志物，可避免損害免疫細胞，并顯著促進抗腫瘤免疫反應，降低免疫療法的不良反應。此外，還應考慮到膠質瘤細胞與淋巴細胞之間氨基酸和營養轉運蛋白的差異表達，尤其是參與代謝的載體。這些差異的存在使選擇性抑制腫瘤細胞代謝途徑成為可能。隨著對免疫療法與代謝酶靶點抑制劑相結合的治療方式研究的深入，必將為膠質瘤治療開拓新的道路。

利益沖突無