靶向免疫代謝改善腫瘤微環境

劉谷一,周宏祎,丁劍蘭,陳樂樂,孫江濤

目前癌癥代謝已經得到了廣泛的研究,人們普遍認為癌基因轉化可以引起癌細胞代謝重編程,從而深刻影響腫瘤微環境(tumer microenvironment,TME)[1]。TME由復雜基質中的不同細胞群組成,其血管系統通常有限或分化不良,導致營養和/或氧氣輸送以及廢物清除效率低下。當快速增殖的癌癥細胞和免疫細胞競爭抗腫瘤所必需的營養物質時,這種較差的血管交換可能導致TME中的營養限制[2]。在這些情況下,腫瘤自身的代謝微環境可以呈現為一個免疫抑制環境。值得注意的是,這種惡劣的環境迫使免疫細胞進行與耐受表型相關的代謝適應。最終,免疫細胞中的這些代謝變化會破壞抗腫瘤免疫反應的有效性。

改變細胞代謝的策略現在為癌癥治療提供了更多希望。具體來說,抑制或改變癌癥代謝以提高TME營養可用性,或調節免疫代謝以增強免疫反應,將有助于最大限度地提高癌癥治療的療效。一個關鍵的問題是,癌細胞使用的許多代謝途徑變化可能受到特定環境的影響,不同的微環境可能導致不同的結果,且在體外培養中受到了諸多限制。

本文綜述了目前在TME中調節免疫代謝的策略和正在研究的分子靶點,并對代謝研究中體外培養條件的局限性進行了闡述。

1 活化的免疫細胞的代謝特征和營養需求

免疫細胞在激活時期、適應不同組織環境的時期以及炎癥或疾病時期會形成特定的代謝特征[3]。重要的是,當其向TME遷移后,免疫細胞內也會發生相應的代謝變化。

由于其獨特的代謝程序,T細胞亞群是TME內發生代謝變化的典型例子。簡言之,活化的T細胞加速糖酵解和谷氨酰胺分解代謝,優先使用有氧糖酵解而不是TCA(tricarboxylic acid cycle,TCA)偶聯的OXPHOS來產生ATP和生物合成[4]。然而,CD28共刺激激活可以增加備用線粒體容量,并在低葡萄糖條件下增強呼吸[5]。相比之下,調節性T細胞(Treg)依賴OXPHOS和脂肪酸氧化(fatty acid oxidation,FAO)來支持其生存和分化[6],并可能獨特地激活5`-AMP活化蛋白激酶(adenosine 5‘-monophosphate-activated protein kinase,AMPK)信號,促進mTOR復合物Ⅰ(mammalian target of rapamycin,mTORC1)活性以驅動分解代謝過程[7]。

髓系細胞在激活時也表現出特有的代謝表型。腫瘤抗原通過toll樣受體(toll-like receptors,TLR)信號激活DCs,導致糖酵解和脂肪酸合成(fatty acid synthase,FAS)的快速增強。樹突狀細胞仍然具有糖酵解作用,并受mTOR和缺氧誘導因子1α (hypoxia-inducible factor 1-alpha,HIF-1α)調控[8]。同樣,巨噬細胞通過激活糖酵解、FAS和改變氮循環代謝來適應TME,同時保持其細胞因子產生和血管生成因子分泌這些促腫瘤功能。腫瘤相關巨噬細胞(tumor-associated macrophages,TAMs)被分為M1樣和M2樣表型。M1樣TAMs更具炎癥表型,并通過糖酵解、FAS和氨基酸代謝來支持其功能。相反,利用TCA循環和FAO的M2樣TAMs表現出更具炎癥抑制的表型[9]。關于人類巨噬細胞表型的研究有限,巨噬細胞代謝數據主要來自于小鼠研究。盡管如此,M1樣和M2樣TAMs的代謝編程之間似乎存在明顯的區別,這可能會構成一種特殊的靶向治療方向。

中性粒細胞和骨髓源性抑制細胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)在TME中具有復雜的作用,可促進癌癥的發生進展。中性粒細胞通常被認為是純粹的糖酵解,以支持ATP生成和微生物殺滅。然而,在葡萄糖受限的條件下,TME中的中性粒細胞可能參與氧化線粒體代謝[10]。盡管中性粒細胞通常具有炎癥性,但它們與癌癥進展有關,作用機制可能與MDSC有關聯[11],MDSC可以有效地抑制先天性和適應性免疫。骨髓細胞的MDSC亞群及其代謝特征尚未完全確定,但被認為是腫瘤的治療靶點。在體外生成的MDSCs中,隨著AMPK的激活,糖酵解、谷氨酰胺水解和TCA循環活性增加。然而,與外周MDSCs相比,浸潤腫瘤的MDSCs中線粒體增加,優先使用FAO而非糖酵解作為主要能量來源。最近,糖酵解副產物甲基乙二醛被認為是一種更特異的MDSCs標記物,可能在抑制T細胞效應功能中發揮關鍵作用[12]。

2 靶向TME內的低血糖

癌細胞糖酵解活性增強,加上血管交換不良,可能導致TME內葡萄糖的可用性降低。雖然某些腫瘤可以獲取葡萄糖,但與血漿或健康組織相比,其糖含量仍低。淋巴瘤細胞和T細胞的共培養表明,淋巴瘤細胞與T細胞發生代謝競爭,限制其產生效應細胞因子的能力。葡萄糖利用率降低可以通過競爭或改變凋亡敏感性來限制T細胞的效應功能[13]。低葡萄糖環境也誘導FOXP3表達,促進T細胞從效應T細胞向Treg的分化[14]。此外,癌細胞中加速的糖酵解代謝增加了腫瘤衍生的粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子( colony-stimulating factor,CSF)和巨噬細胞的生成,以促進骨髓間充質干細胞的浸潤,從而進一步抑制效應T細胞功能[15]。

通過抑制糖酵解關鍵酶或使用競爭性葡萄糖類似物2-DG來減少癌細胞中的糖酵解代謝可能有效地抑制癌細胞增殖,并且現有研究已經證明其可以支持長期記憶CD8+T細胞的形成[16-17]。例如,Ho等發現過表達糖異生酶PCK1可以增強葡萄糖缺失的TME中T細胞的抗腫瘤反應[18],這項研究結果支持糖酵解中間產物在效應T細胞的增殖和功能中發揮重要作用。許多研究表明,包括PD-1、PD-L1和CTLA-4在內的免疫檢查點通過部分抑制免疫細胞的代謝重編程和抑制糖酵解,同時增加脂肪分解和FAO而起作用[19-20]。這些數據揭示了細胞代謝和檢查點阻斷之間的明確聯系,因此通過與代謝干預相結合以破壞癌癥正常代謝可能為腫瘤的免疫治療提供機會,提高檢查點抑制劑在不同類型腫瘤中的療效。

3 靶向乳酸代謝

缺氧條件下癌細胞糖酵解活性的增強會增加乳酸的積累,從而使TME酸化。腫瘤細胞的乳酸產量可增加40倍,而產生乳酸的乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)與腫瘤大小和臨床疾病嚴重程度呈正相關[21]。乳酸可以通過抑制T細胞增殖和IFN-y的產生來抑制效應T細胞功能,同時降低TME內的pH值,進一步促進免疫抑制。因此,中和TME中的低pH可能會對提高抗癌免疫治療的療效有意義。值得注意的是,在黑色素瘤模型中,口服碳酸氫鹽緩沖TME與抗pd-1免疫治療相結合時,可以抑制腫瘤生長[22]。最近研究發現,T細胞活化的V域Ig抑制因子(V-domain Ig suppressor of T cell activation,VISTA )與免疫檢查點功能有關。VISTA可在酸性pH條件下選擇性抑制T細胞,而且研究發現,針對VISTA或其受體PSGL-1的酸性pH選擇性抗體可在體內逆轉免疫抑制[23]。此外,共同阻斷VISTA和PD-1可導致MC38腫瘤模型中的腫瘤排斥反應。

4 靶向氨基酸代謝

氨基酸為細胞代謝和生理學中的各種關鍵過程提供成分和底物。雖然每種氨基酸都有多種特定作用,但谷氨酰胺、精氨酸和色氨酸對調控腫瘤進展和免疫最為重要。

4.1 谷氨酰胺和谷氨酸

僅次于葡萄糖,谷氨酰胺是循環中最豐富的氨基酸,也是腫瘤細胞消耗最快的營養素。谷氨酰胺可以維持進行有氧糖酵解的癌細胞中的TCA含量,也可作為檸檬酸鹽的來源用于還原羧化,促進脂質合成。此外,谷氨酰胺分解可抑制氧化應激并維持線粒體膜完整性,有助于增殖細胞的存活。谷氨酰胺酶(glutaminase,GLS)將谷氨酰胺轉化為谷氨酸,目前正被研究用來抑制某些癌癥的代謝。抑制GLS活性可導致氧化還原和線粒體應激[24]。

不同于葡萄糖、癌細胞和免疫細胞對谷氨酰胺代謝的利用不同,炎性抗腫瘤免疫細胞似乎不太依賴甚至不受這一代謝途徑的限制。巨噬細胞亞群對谷氨酰胺的依賴性也存在內在差異。例如,M2巨噬細胞比初始巨噬細胞消耗更多的谷氨酰胺,而炎性M1巨噬細胞可以被谷氨酰胺水解所抑制[25]。在乳腺癌模型中,抑制谷氨酰胺代謝通過減少MDSC的募集從而抑制腫瘤生長,并促進其轉化為炎性M1樣巨噬細胞[26]。此外,通過抑制谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GLUL)來減少巨噬細胞內的谷氨酰胺,可促進其分化為M1樣表型[27]。這些數據表明,抑制谷氨酰胺水解或減少細胞內谷氨酰胺合成可以抑制炎癥抑制性髓系亞群,并為TAMs從M2樣態向M1樣態的轉化提供了一個潛在靶點。

在效應T細胞激活過程中,谷氨酰胺代謝也會增加。研究發現,抑制谷氨酰胺可以改變Th1細胞的分化,并使CD4+ T細胞向Treg表型轉變[28]。然而,通過靶向GLS阻斷谷氨酰胺代謝,阻止谷氨酰胺依賴性谷氨酸的產生,可以引起T細胞中代謝重編程。雖然Th17細胞仍然依賴GLS,但Th1和細胞毒性T細胞通過上調糖酵解而變得不依賴GLS。研究發現,抗pd-1聯合阻斷谷氨酰胺代謝,在抑制腫瘤代謝的同時促進T細胞葡萄糖代謝、表觀遺傳重編程和細胞毒性功能,顯著提高了抗腫瘤效應[29]。然而,在嵌合抗原受體(chimeric antigen receptor,CAR)-T細胞模型中進行測試時,GLS的基因缺失促進了效應因子分化,最終導致了T細胞效應因子功能的喪失[30]。這可能是因為末端T細胞效應分化或通過誘導和激活包括PD-1在內的抑制受體而潛在地抑制T細胞。總而言之,關于谷氨酰胺代謝的研究強調了癌細胞和炎癥免疫細胞對其不同的依賴性,從而實現特異性靶向免疫細胞的免疫治療。

4.2 精氨酸和一氧化氮

精氨酸在多種生物功能中發揮重要作用,包括癌癥和免疫細胞的增殖、存活和蛋白質合成。精氨酸代謝主要依賴于一氧化氮合成酶(nitric oxide synthase,NOS)和精氨酸酶(argunase,ARG)酶家族的活性。由于精氨酸在腫瘤和免疫細胞中的雙重作用,其在TME中的調節作用是復雜的。研究已經證明,在精氨酸依賴的癌癥中,抑制精氨酸具有抗腫瘤作用。然而,許多癌細胞可以激活精氨酸-琥珀酸合成酶(arginine succinate synthetase,ASS1)途徑,利用瓜氨酸合成精氨酸,以代償精氨酸缺失[31]。盡管精氨酸缺失對某些類型的癌癥有效,但精氨酸缺失也會通過增加MDSCs的積累和抑制T細胞功能對免疫應答產生負面影響。更具體地說,表達ARG的MDSCs在TME中導致精氨酸耗盡,從而抑制抗腫瘤T細胞應答[32]。研究發現,抑制ARG可以恢復精氨酸水平,改善T細胞功能并抑制腫瘤進展[33]。

另外,精氨酸通過NOS引起NO的釋放,促進髓系細胞轉化為炎性表型。巨噬細胞來源的NO誘導黏附分子VCAM-1在黑色素瘤異種移植物中的表達對T細胞外滲非常重要。此外,研究還發現浸潤腫瘤的髓系細胞產生的NO對細胞毒性T細胞的激活很重要[34]。綜上所述,這些研究表明,雖然ARG和NOS在免疫細胞調節中的機制有待進一步闡明,但靶向骨髓細胞中的ARG和NOS可能為癌癥的免疫治療提供潛在的可能性。

4.3 色氨酸和犬尿氨酸

與谷氨酰胺和精氨酸不同,色氨酸是一種必需氨基酸,必須從飲食中攝取。色氨酸還充當由限速酶吲哚胺-2,3-雙加氧酶(indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO1)、IDO2和色氨酸-2,3-雙加氧酶(tryptophan-2,3-dioxygenase,TDO)限制的犬尿氨酸途徑的底物。在癌癥中,IDO1和TDO過表達可能抑制抗腫瘤免疫。除了消耗色氨酸以外,犬尿氨酸在IDO陽性癌癥中堆積,這與癌癥患者的不良預后有關[35]。具體來說,IDO1活性的增加可抑制效應T細胞激活,抑制NK細胞功能,刺激Treg激活,并促進DC和MDSC的擴增和激活[36-37]。盡管這一臨床前數據表明,抑制IDO或減少犬尿氨酸生成可能改善TME內的免疫功能,但IDO抑制劑單藥臨床試驗在療效上的表現令人失望[38]。

然而,IDO抑制劑與化療、放療或其他免疫治療聯合應用仍然可能對療效有益。目前,IDO1抑制劑已被作為免疫細胞的代謝佐劑進行研究,正在許多癌癥中與抗PD-1或抗CTLA-4聯合進行評估。此前一項研究顯示,IDO1抑制劑聯合PD-1抗體提高了無法手術切除的3期和4期黑色素瘤患者的客觀緩解率[39]。在小鼠腫瘤模型中,IDO抑制劑與抗腫瘤樹突狀細胞疫苗的聯合應用誘導Treg轉化為Th17細胞,從而增強CD8+T細胞抗腫瘤功能。這一領域仍存在爭議,需要進行更多有效的臨床前研究,以更好地確定IDO1抑制劑和TME中色氨酸代謝的調節是否對臨床治療有益。

5 靶向脂肪酸代謝

高度增殖的癌細胞可以增加外源性脂質的攝取或高度激活其合成途徑。事實上,在包括食管癌在內的許多癌細胞中已經發現,參與脂質和膽固醇生物合成的酶表達上調[40]。過量的脂質和膽固醇儲存在脂滴中,一定程度上提高了癌癥的侵襲性。由于這些原因,FAS抑制劑,尤其是針對脂肪酸合酶(fatty acid synthase,FASN)的抑制劑,一直是癌癥治療的重點研究方向。同時,抑制癌細胞中的脂肪酸代謝也會對免疫細胞功能產生間接影響。在髓樣細胞中,細胞內脂質的積累可增強氧化代謝并抑制免疫功能[41]。不飽和脂肪酸的存在誘導骨髓源性髓樣細胞分化為免疫抑制性M2樣TAM[42]。腫瘤浸潤性樹突狀細胞(tumor infiltratingdendritic cells,TIDC)中的異常脂質積聚損害其抗原提呈[43]。在卵巢癌小鼠模型中,TIDCs從TME外源性積聚過量脂質,導致T細胞啟動和激活不良[44]。因此,脂肪酸的積累對TME的免疫細胞群產生負面效應,并且,在小鼠腫瘤模型中靶向FAS或FAO降低脂質的含量是有益的。例如,乙酰輔酶a羧化酶(acetyl coA carboxylase,ACC)抑制劑TOFA對FAS的抑制,使樹突狀細胞中的脂質水平正常化,恢復其活性,并顯著增強癌癥疫苗的效果[43]。卵巢癌模型中FASN的抑制也部分恢復了TIDC功能[44]。

6 食管癌與免疫代謝

我國是食管癌高發國家,也是世界上食管癌新發病例最多的國家。食管癌是我國發病率及死亡率最高的惡性腫瘤之一,晚期食管癌患者的中位生存期不超過1 a。多年以來,盡管在食管癌的診斷、治療及發病機制等方面的研究取得諸多進展,然而整體5 a生存率一直徘徊在20%～30%左右。目前無論是NCCN指南還是ESMO、CSCO指南,一線標準治療方案仍然是以氟尿嘧啶和鉑類為主的化療,但是這些方案總體來看療效不盡如人意。隨著免疫治療在各個癌種中抗腫瘤效應的不斷突破,近幾年來食管癌也邁入了免疫治療的新時代。縱觀現有研究的成果,不難發現僅有小部分患者能夠從免疫治療中獲益,篩選目標人群及聯合治療將逐漸成為晚期食管癌的主要研究方向。目前研究發現,食管癌患者體內的氨基酸、糖酵解、脂質代謝、三羧酸循環等多條代謝途徑均發生不同程度的紊亂。這為食管癌免疫治療聯合代謝調控提供了潛在的治療靶點。如何通過靶向代謝改善腫瘤微環境,提高免疫治療的作用,將是未來一個重要的研究方向。

7 應用生理培養基提高體外研究的臨床相關性

雖然免疫代謝為增強癌癥治療療效提供了大量機會,但TME臨床前體外研究仍有不足,許多關鍵研究發現所依賴的組織培養條件已被人為改善以促進細胞生長,和體內生理學并不相符。經典的體外細胞培養條件依賴于基礎培養基,如RPMI或DMEM,其中含有過量的營養物質,可改變所培養細胞的代謝,與人體代謝機制存在差異。近年來,人類類血漿培養基(human plasma like medium,HPLM)和類似的生理培養基已被開發出來,這些生理培養基更接近人類血漿中的營養和代謝水平。多項研究揭示了代謝表型和藥物療效在生理培養基與傳統培養基中的顯著差異。例如,與HPLM相比,用高濃度丙酮酸的傳統培養基進行培養時,癌細胞的增殖對線粒體呼吸的依賴性較低,這表明其對二甲雙胍的敏感性降低[45]。此外,在傳統培養基中發現,過量的胱氨酸提高了癌細胞的谷氨酰胺消耗和依賴性[46]。在傳統培養基中培養的細胞,高濃度的精氨酸會逆轉尿素循環中精氨琥珀酸裂解酶催化的反應方向,而這一現象在生理培養基中并未觀察到[47]。

8 未來展望

免疫代謝提供了一個新的研究領域,通過調控TME以改善癌癥治療。很明顯,將代謝靶點與化療或靶向干預(包括免疫檢查點封鎖)結合起來的方法在提高臨床療效方面具有巨大潛力。近年來,腫瘤代謝、免疫代謝和免疫治療領域的研究進展越來越快。然而,如何在復雜TME中最好地利用這些策略仍然是不確定的。需要更好地還原生理條件,從而明確靶點、闡明機制,并優化代謝抑制劑,最大限度發揮其抗腫瘤作用。