腫瘤浸潤性T細胞代謝重組及功能的研究進展

蔣超，姜潤秋

(南京大學醫學院，江蘇 南京 210093)

腫瘤微環境主要由腫瘤細胞，周圍的免疫細胞和炎癥細胞，腫瘤相關的成纖維細胞以及附近的間質組織和各種細胞因子、趨化因子等構成，其與腫瘤的發生、生長及轉移有著密切的聯系[1-2]。在腫瘤微環境中，腫瘤細胞和免疫細胞均可以通過代謝重組以適應低氧、酸性和低營養的微環境[3]。癌細胞本身的代謝旺盛導致腫瘤局部的營養缺乏，代謝產物積累。代謝物是除蛋白(如細胞及趨化因子)和核酸外，腫瘤細胞直接調控免疫細胞的另外一類物質，腫瘤通過代謝物的重構影響免疫細胞的代謝和正常的生理功能。

腫瘤浸潤性淋巴細胞(tumor infiltrating lymphocytes，TILs)指離開血液并遷移到腫瘤區域的淋巴細胞，在癌癥的早期階段，免疫系統通過動員免疫細胞來攻擊腫瘤。淋巴細胞具有識別和攻擊腫瘤的能力，在所有的腫瘤浸潤性免疫細胞中，腫瘤對于T細胞代謝及功能的調控最引人關注。因此，全面了解腫瘤免疫微環境，從而指導個體化免疫治療，成為當下腫瘤免疫治療的研究熱點。

1 腫瘤浸潤性T細胞的代謝重組

在過去的十年中，抗腫瘤免疫治療為臨床治療癌癥提供了可能性。然而，大多數患者并沒有從免疫治療中獲益，可能是由于腫瘤微環境中營養物質以及免疫細胞代謝產物均可調控周圍細胞的命運。此外，負性免疫檢查點分子經常被腫瘤細胞利用來逃避免疫監視。目前，調控腫瘤環境中免疫細胞的代謝途徑已成為腫瘤研究的熱點之一[4-5]。

腫瘤浸潤性T細胞因處于靜止狀態、激活狀態下，其對能量的利用不同，而呈現出代謝模式的差異。研究發現，線粒體具有許多重要的細胞功能，包括氧化磷酸化與電子傳輸、活性氧的調控。線粒體通過生物發生、降解、高度動態的裂變和融合事件的平衡來維持上述各種功能，這些取決于腫瘤微環境和免疫細胞的需要[6-7]。T細胞必須精確地調節線粒體數量和功能，才能使T細胞氧化代謝過渡到糖酵解代謝的效應狀態。體外實驗和小鼠模型研究表明，效應T細胞中普遍存在點狀線粒體，記憶T細胞線粒體內膜蛋白結構和融合改變形態有利于氧化磷酸化[6，8]。在腫瘤微環境中，不同的代謝模式和營養感應機制共同調控免疫細胞對營養物質的反應。

此外，腫瘤微環境中的非惡性細胞通過刺激和促進腫瘤細胞，在癌變的各個階段發揮重要作用。腫瘤細胞的代謝失調將會進一步影響其細胞表面標志物的表達，從而干擾免疫監視。在腫瘤內部，免疫細胞為了履行其必要職能須在新陳代謝上適應這些微環境的變化[9-11]。深入了解腫瘤細胞和浸潤性T細胞的代謝重組，闡明浸潤性T細胞和腫瘤細胞代謝之間相互作用，將為后續開展腫瘤治療提供理論依據。

1.1 腫瘤浸潤T細胞的氨基酸代謝

氨基酸是蛋白質生物合成的基本組成部分，并參與其他代謝過程，同時，氨基酸代謝參與了T細胞活化過程。最新研究發現，谷氨酰胺激活CD38誘導T細胞活化，谷氨酰胺的消耗會阻礙細胞增殖和細胞因子的產生，T細胞激活誘導谷氨酰胺攝入大量增加，而且這種增加依賴于CD38[12-14]。以上研究結果表明，氨基酸在T細胞中的生物學功能可能成為今后免疫調節的新靶點。

有報道發現[15]，T細胞活化后L-精氨酸代謝通路活化，同時參與其代謝的精氨酸轉運蛋白以及精氨酸酶2等都顯著上調。細胞內L-精氨酸水平的增加可誘導活化的T細胞從糖酵解向線粒體氧化磷酸化的轉換，進而促進T細胞的存活和增強記憶性T細胞數量。此外，在小鼠體內補充L-精氨酸，可以顯著增加腫瘤浸潤CD8+T細胞的存活能力，進而提高小鼠的抗腫瘤活性。Bian等[16]研究發現，腫瘤細胞攝取蛋氨酸的能力顯著勝過T細胞，腫瘤細胞通過改變蛋氨酸水平進而損害CD8+T細胞功能，由此導致T細胞功能受損。通過蛋白質組學、代謝組學等數據進一步分析發現，腫瘤細胞通過限制蛋氨酸減少甲基供體，進而影響CD8+T細胞中組蛋白H3K79的甲基化程度以及信號轉導途徑[17]。以上這些研究提示，腫瘤微環境中氨基酸水平影響腫瘤細胞及激活的T細胞自身功能的發揮，因此，在研發腫瘤免疫治療藥物時，不能單純靶向腫瘤微環境中的部分氨基酸代謝，這可能在殺傷腫瘤的同時抑制了T細胞的免疫功能。

1.2 腫瘤浸潤T細胞的葡萄糖代謝

葡萄糖是腫瘤細胞最為依賴的營養物質，也是T細胞活化以及發揮功能所必需的重要能源物質[18]。腫瘤浸潤T細胞中的有氧糖酵解代謝不僅是細胞能量所必需的，還有助于機體合成中間產物和信號轉導。然而，啟動T細胞有氧糖酵解的信號目前尚不清楚。Chang等[19]發現，在腫瘤微環境中，細胞通過競爭性攝取葡萄糖進而抑制腫瘤浸潤T細胞的功能，即使在足夠的腫瘤抗原供T細胞識別的情況下也是如此，腫瘤細胞對葡萄糖的大量攝取會影響T細胞的代謝模式進而抑制T細胞的雷帕霉素靶蛋白活性、糖酵解能力。

雖然人們幾十年前就知道淋巴細胞在活化過程中進行有氧糖酵解，但直到最近才清楚哪些信號可能啟動或維持這種代謝。有氧糖酵解是活化T細胞的代謝特征，與增強效應T細胞應答有關。在活化的T細胞中，乳酸脫氫酶A經誘導進行有氧糖酵解，其通過維持高濃度的乙酰輔酶A增強組蛋白乙酰化。這些發現進一步揭示了需氧糖酵解促進效應T細胞分化的表觀遺傳機制，并提示乳酸脫氫酶A可能是治療自身炎癥性疾病的靶點[20-21]。最近研究發現，在制備CD4+T細胞特異性脂聯素及其受體條件缺陷小鼠過程中，脂聯素受體1(adiponectin receptor 1，AdipoR1)在體外促進Th17細胞分化和誘導關節發育。此外，進一步研究發現，AdipoR1缺陷T細胞通過抑制T細胞中HIF-1α依賴的糖酵解降低Th17分化[22-24]。總之，這些研究發現了新的T細胞功能性的代謝檢查點，腫瘤微環境中的浸潤T細胞可以通過代謝重組發揮免疫應答，為腫瘤免疫治療提供了一條研究思路。

1.3 腫瘤浸潤T細胞與脂質代謝

最新研究發現[25-26]，腫瘤微環境中的脂質可招募周圍的巨噬細胞浸潤腫瘤組織，并抑制效應T細胞對腫瘤的攻擊，同時，脂質代謝過程中的信號轉導影響癌癥的進展、治療、復發和轉移。腫瘤細胞在增殖過程中，其周圍的脂肪組織可以釋放激素、炎癥因子等協同促進腫瘤的炎癥環境。膽固醇是細胞膜表面的重要組成部分，細胞快速增殖需要大量的膜結構以及膽固醇合成。Yang等[27]發現，T細胞代謝通路中的膽固醇酯化酶ACAT1是調控腫瘤免疫應答的代謝檢查點，抑制其活性可以大大增強CD8+T細胞的腫瘤殺傷能力。ACAT1經抑制后，殺傷性T細胞膜上的游離膽固醇水平提高，進而使得T細胞腫瘤抗原免疫應答變得更加高效。同時，該研究提出了一種基于膽固醇代謝調控的腫瘤免疫治療新方法，開辟了腫瘤免疫治療的一個全新領域。從中可發現，基于現有信號轉導調控的腫瘤免疫治療的手段只對部分患者有效，因此急需發展新的方法讓更多的患者受益。

研究發現，T細胞浸潤及其功能對于減緩腫瘤的生長和進展至關重要，而脂肪酸β-氧化和酮體代謝之間的平衡取決于缺氧的程度[28-29]。與CD4+T細胞亞型最相關的免疫抑制細胞是調節性T細胞(regulatory T cells,Tregs)，它抑制其他免疫細胞的活性，并且在腫瘤細胞的免疫逃逸中起重要作用。該亞群表達叉頭狀轉錄因子p3(forkhead boxp3，Foxp3)，它是Tregs發育和功能的主要調節因子，可以提高脂肪酸的攝取，Foxp3增強Tregs對脂毒性環境的抵抗力。

新興研究已經開始評估代謝激活的腫瘤免疫細胞，這些細胞將會處理脂肪細胞中高脂質負荷[29-30]。因此，靶向腫瘤周圍脂肪細胞以及脂質代謝通路成為近年來藥物設計的新思路[31-32]。

2 腫瘤微環境中代謝紊亂對腫瘤浸潤性T細胞功能的影響

研究發現，癌細胞代謝釋放競爭性代謝物(R)-2-羥基戊二酸酯影響T細胞浸潤。該代謝物通過抑制表觀遺傳的雙加氧酶，進而影響CD4+和CD8+T細胞的受體信號轉導，從而調控T細胞增殖。腫瘤微環境中K+含量增加，也會限制腫瘤浸潤T細胞效應功能。腫瘤微環境內因乙酰輔酶A胞質水平下調，引起誘導活化T細胞的表觀遺傳重塑，進而導致腫瘤微環境中腫瘤浸潤性T細胞功能異常[33-34]。這些現象表明，高鉀濃度的短期效應T細胞在離體刺激后產生的腫瘤浸潤性T細胞具有更高的體內持久性、多能性和腫瘤清除能力。研究發現[35-36]，在腫瘤微環境中葡萄糖和精氨酸的缺乏，將會嚴重限制腫瘤浸潤T細胞的新陳代謝，進而限制M1型巨噬細胞的功能。據報道[37]，胰腺星狀細胞可為腫瘤細胞提供丙氨酸，有學者也發現[38]，骨髓基質細胞能夠提供半胱氨酸，以促進慢性淋巴細胞性白血病細胞的存活。因此通過腫瘤壞死和腫瘤微環境固有的代謝活性產生T細胞抑制性代謝產物，是腫瘤細胞逃避T細胞免疫監控的重要機制，上述研究說明了腫瘤微環境中代謝紊亂對腫瘤浸潤性T細胞功能的影響。

3 結論與展望

近年來，腫瘤細胞與T細胞對葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和其他代謝物的攝取，仍是影響T細胞功能發揮的重要因素，因此，今后可以通過多種不同的策略提高免疫治療的療效，以明確腫瘤和免疫細胞代謝重組之間的關系。這些策略主要包括針對腫瘤代謝方案抑制生長和改變腫瘤微環境，腫瘤浸潤T細胞代謝的體外藥理學以及遺傳重編程等，都將可能為細胞治療提供一種新的途徑。