靶向免疫代謝改善腫瘤微環(huán)境

劉谷一,周宏祎,丁劍蘭,陳樂樂,孫江濤

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

改變細(xì)胞代謝的策略現(xiàn)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(yǎng)可用性,或調(diào)節(jié)免疫代謝以增強(qiáng)免疫反應(yīng),將有助于最大限度地提高癌癥治療的療效。一個關(guān)鍵的問題是,癌細(xì)胞使用的許多代謝途徑變化可能受到特定環(huán)境的影響,不同的微環(huán)境可能導(dǎo)致不同的結(jié)果,且在體外培養(yǎng)中受到了諸多限制。

本文綜述了目前在TME中調(diào)節(jié)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(yǎng)條件的局限性進(jìn)行了闡述。

1 活化的免疫細(xì)胞的代謝特征和營養(yǎng)需求

免疫細(xì)胞在激活時期、適應(yīng)不同組織環(huán)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(dāng)其向TME遷移后,免疫細(xì)胞內(nèi)也會發(fā)生相應(yīng)的代謝變化。

由于其獨特的代謝程序,T細(xì)胞亞群是TME內(nèi)發(fā)生代謝變化的典型例子。簡言之,活化的T細(xì)胞加速糖酵解和谷氨酰胺分解代謝,優(yōu)先使用有氧糖酵解而不是TCA(tricarboxylic acid cycle,TCA)偶聯(lián)的OXPHOS來產(chǎn)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(qiáng)呼吸[5]。相比之下,調(diào)節(jié)性T細(xì)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(jìn)mTOR復(fù)合物Ⅰ(mammalian target of rapamycin,mTORC1)活性以驅(qū)動分解代謝過程[7]。

髓系細(xì)胞在激活時也表現(xiàn)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(dǎo)致糖酵解和脂肪酸合成(fatty acid synthase,FAS)的快速增強(qiáng)。樹突狀細(xì)胞仍然具有糖酵解作用,并受mTOR和缺氧誘導(dǎo)因子1α (hypoxia-inducible factor 1-alpha,HIF-1α)調(diào)控[8]。同樣,巨噬細(xì)胞通過激活糖酵解、FAS和改變氮循環(huán)代謝來適應(yīng)TME,同時保持其細(xì)胞因子產(chǎn)生和血管生成因子分泌這些促腫瘤功能。腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)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(huán)和FAO的M2樣TAMs表現(xiàn)出更具炎癥抑制的表型[9]。關(guān)于人類巨噬細(xì)胞表型的研究有限,巨噬細(xì)胞代謝數(shù)據(jù)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(qū)別,這可能會構(gòu)成一種特殊的靶向治療方向。

中性粒細(xì)胞和骨髓源性抑制細(xì)胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)在TME中具有復(fù)雜的作用,可促進(jìn)癌癥的發(fā)生進(jìn)展。中性粒細(xì)胞通常被認(rèn)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(xì)胞可能參與氧化線粒體代謝[10]。盡管中性粒細(xì)胞通常具有炎癥性,但它們與癌癥進(jìn)展有關(guān),作用機(jī)制可能與MDSC有關(guān)聯(lián)[11],MDSC可以有效地抑制先天性和適應(yīng)性免疫。骨髓細(xì)胞的MDSC亞群及其代謝特征尚未完全確定,但被認(rèn)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(huán)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(yōu)先使用FAO而非糖酵解作為主要能量來源。最近,糖酵解副產(chǎn)物甲基乙二醛被認(rèn)為是一種更特異的MDSCs標(biāo)記物,可能在抑制T細(xì)胞效應(yīng)功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用[12]。

2 靶向TME內(nèi)的低血糖

癌細(xì)胞糖酵解活性增強(qiáng),加上血管交換不良,可能導(dǎo)致TME內(nèi)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(xì)胞和T細(xì)胞的共培養(yǎng)表明,淋巴瘤細(xì)胞與T細(xì)胞發(fā)生代謝競爭,限制其產(chǎn)生效應(yīng)細(xì)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(xì)胞的效應(yīng)功能[13]。低葡萄糖環(huán)境也誘導(dǎo)FOXP3表達(dá),促進(jìn)T細(xì)胞從效應(yīng)T細(xì)胞向Treg的分化[14]。此外,癌細(xì)胞中加速的糖酵解代謝增加了腫瘤衍生的粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子( colony-stimulating factor,CSF)和巨噬細(xì)胞的生成,以促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的浸潤,從而進(jìn)一步抑制效應(yīng)T細(xì)胞功能[15]。

通過抑制糖酵解關(guān)鍵酶或使用競爭性葡萄糖類似物2-DG來減少癌細(xì)胞中的糖酵解代謝可能有效地抑制癌細(xì)胞增殖,并且現(xiàn)有研究已經(jīng)證明其可以支持長期記憶CD8+T細(xì)胞的形成[16-17]。例如,Ho等發(fā)現(xiàn)過表達(dá)糖異生酶PCK1可以增強(qiáng)葡萄糖缺失的TME中T細(xì)胞的抗腫瘤反應(yīng)[18],這項研究結(jié)果支持糖酵解中間產(chǎn)物在效應(yīng)T細(xì)胞的增殖和功能中發(fā)揮重要作用。許多研究表明,包括PD-1、PD-L1和CTLA-4在內(nèi)的免疫檢查點通過部分抑制免疫細(xì)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(shù)據(jù)揭示了細(xì)胞代謝和檢查點阻斷之間的明確聯(lián)系,因此通過與代謝干預(yù)相結(jié)合以破壞癌癥正常代謝可能為腫瘤的免疫治療提供機(jī)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(xì)胞糖酵解活性的增強(qiáng)會增加乳酸的積累,從而使TME酸化。腫瘤細(xì)胞的乳酸產(chǎn)量可增加40倍,而產(chǎn)生乳酸的乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)與腫瘤大小和臨床疾病嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[21]。乳酸可以通過抑制T細(xì)胞增殖和IFN-y的產(chǎn)生來抑制效應(yīng)T細(xì)胞功能,同時降低TME內(nèi)的pH值,進(jìn)一步促進(jìn)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(jié)合時,可以抑制腫瘤生長[22]。最近研究發(fā)現(xiàn),T細(xì)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(guān)。VISTA可在酸性pH條件下選擇性抑制T細(xì)胞,而且研究發(fā)現(xiàn),針對VISTA或其受體PSGL-1的酸性pH選擇性抗體可在體內(nèi)逆轉(zhuǎn)免疫抑制[23]。此外,共同阻斷VISTA和PD-1可導(dǎo)致MC38腫瘤模型中的腫瘤排斥反應(yīng)。

4 靶向氨基酸代謝

氨基酸為細(xì)胞代謝和生理學(xué)中的各種關(guān)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(diào)控腫瘤進(jìn)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(huán)中最豐富的氨基酸,也是腫瘤細(xì)胞消耗最快的營養(yǎng)素。谷氨酰胺可以維持進(jìn)行有氧糖酵解的癌細(xì)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(jìn)脂質(zhì)合成。此外,谷氨酰胺分解可抑制氧化應(yīng)激并維持線粒體膜完整性,有助于增殖細(xì)胞的存活。谷氨酰胺酶(glutaminase,GLS)將谷氨酰胺轉(zhuǎn)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(dǎo)致氧化還原和線粒體應(yīng)激[24]。

不同于葡萄糖、癌細(xì)胞和免疫細(xì)胞對谷氨酰胺代謝的利用不同,炎性抗腫瘤免疫細(xì)胞似乎不太依賴甚至不受這一代謝途徑的限制。巨噬細(xì)胞亞群對谷氨酰胺的依賴性也存在內(nèi)在差異。例如,M2巨噬細(xì)胞比初始巨噬細(xì)胞消耗更多的谷氨酰胺,而炎性M1巨噬細(xì)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(jìn)其轉(zhuǎn)化為炎性M1樣巨噬細(xì)胞[26]。此外,通過抑制谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GLUL)來減少巨噬細(xì)胞內(nèi)的谷氨酰胺,可促進(jìn)其分化為M1樣表型[27]。這些數(shù)據(jù)表明,抑制谷氨酰胺水解或減少細(xì)胞內(nèi)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(tài)向M1樣態(tài)的轉(zhuǎn)化提供了一個潛在靶點。

在效應(yīng)T細(xì)胞激活過程中,谷氨酰胺代謝也會增加。研究發(fā)現(xiàn),抑制谷氨酰胺可以改變Th1細(xì)胞的分化,并使CD4+ T細(xì)胞向Treg表型轉(zhuǎn)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(chǎn)生,可以引起T細(xì)胞中代謝重編程。雖然Th17細(xì)胞仍然依賴GLS,但Th1和細(xì)胞毒性T細(xì)胞通過上調(diào)糖酵解而變得不依賴GLS。研究發(fā)現(xiàn),抗pd-1聯(lián)合阻斷谷氨酰胺代謝,在抑制腫瘤代謝的同時促進(jìn)T細(xì)胞葡萄糖代謝、表觀遺傳重編程和細(xì)胞毒性功能,顯著提高了抗腫瘤效應(yīng)[29]。然而,在嵌合抗原受體(chimeric antigen receptor,CAR)-T細(xì)胞模型中進(jìn)行測試時,GLS的基因缺失促進(jìn)了效應(yīng)因子分化,最終導(dǎo)致了T細(xì)胞效應(yīng)因子功能的喪失[30]。這可能是因為末端T細(xì)胞效應(yīng)分化或通過誘導(dǎo)和激活包括PD-1在內(nèi)的抑制受體而潛在地抑制T細(xì)胞?？偠灾?關(guān)于谷氨酰胺代謝的研究強(qiáng)調(diào)了癌細(xì)胞和炎癥免疫細(xì)胞對其不同的依賴性,從而實現(xiàn)特異性靶向免疫細(xì)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(fā)揮重要作用,包括癌癥和免疫細(xì)胞的增殖、存活和蛋白質(zhì)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(xì)胞中的雙重作用,其在TME中的調(diào)節(jié)作用是復(fù)雜的。研究已經(jīng)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(xì)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(xì)胞功能對免疫應(yīng)答產(chǎn)生負(fù)面影響。更具體地說,表達(dá)ARG的MDSCs在TME中導(dǎo)致精氨酸耗盡,從而抑制抗腫瘤T細(xì)胞應(yīng)答[32]。研究發(fā)現(xiàn),抑制ARG可以恢復(fù)精氨酸水平,改善T細(xì)胞功能并抑制腫瘤進(jìn)展[33]。

另外,精氨酸通過NOS引起NO的釋放,促進(jìn)髓系細(xì)胞轉(zhuǎn)化為炎性表型。巨噬細(xì)胞來源的NO誘導(dǎo)黏附分子VCAM-1在黑色素瘤異種移植物中的表達(dá)對T細(xì)胞外滲非常重要。此外,研究還發(fā)現(xiàn)浸潤腫瘤的髓系細(xì)胞產(chǎn)生的NO對細(xì)胞毒性T細(xì)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(xì)胞調(diào)節(jié)中的機(jī)制有待進(jìn)一步闡明,但靶向骨髓細(xì)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(dāng)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(dá)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(yù)后有關(guān)[35]。具體來說,IDO1活性的增加可抑制效應(yīng)T細(xì)胞激活,抑制NK細(xì)胞功能,刺激Treg激活,并促進(jìn)DC和MDSC的擴(kuò)增和激活[36-37]。盡管這一臨床前數(shù)據(jù)表明,抑制IDO或減少犬尿氨酸生成可能改善TME內(nèi)的免疫功能,但I(xiàn)DO抑制劑單藥臨床試驗在療效上的表現(xiàn)令人失望[38]。

然而,IDO抑制劑與化療、放療或其他免疫治療聯(lián)合應(yīng)用仍然可能對療效有益。目前,IDO1抑制劑已被作為免疫細(xì)胞的代謝佐劑進(jìn)行研究,正在許多癌癥中與抗PD-1或抗CTLA-4聯(lián)合進(jìn)行評估。此前一項研究顯示,IDO1抑制劑聯(lián)合PD-1抗體提高了無法手術(shù)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(xì)胞疫苗的聯(lián)合應(yīng)用誘導(dǎo)Treg轉(zhuǎn)化為Th17細(xì)胞,從而增強(qiáng)CD8+T細(xì)胞抗腫瘤功能。這一領(lǐng)域仍存在爭議,需要進(jìn)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(diào)節(jié)是否對臨床治療有益。

5 靶向脂肪酸代謝

高度增殖的癌細(xì)胞可以增加外源性脂質(zhì)的攝取或高度激活其合成途徑。事實上,在包括食管癌在內(nèi)的許多癌細(xì)胞中已經(jīng)發(fā)現(xiàn),參與脂質(zhì)和膽固醇生物合成的酶表達(dá)上調(diào)[40]。過量的脂質(zhì)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(xì)胞中的脂肪酸代謝也會對免疫細(xì)胞功能產(chǎn)生間接影響。在髓樣細(xì)胞中,細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)的積累可增強(qiáng)氧化代謝并抑制免疫功能[41]。不飽和脂肪酸的存在誘導(dǎo)骨髓源性髓樣細(xì)胞分化為免疫抑制性M2樣TAM[42]。腫瘤浸潤性樹突狀細(xì)胞(tumor infiltratingdendritic cells,TIDC)中的異常脂質(zhì)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(zhì),導(dǎo)致T細(xì)胞啟動和激活不良[44]。因此,脂肪酸的積累對TME的免疫細(xì)胞群產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng),并且,在小鼠腫瘤模型中靶向FAS或FAO降低脂質(zhì)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(xì)胞中的脂質(zhì)水平正?；?恢復(fù)其活性,并顯著增強(qiáng)癌癥疫苗的效果[43]。卵巢癌模型中FASN的抑制也部分恢復(fù)了TIDC功能[44]。

6 食管癌與免疫代謝

我國是食管癌高發(fā)國家,也是世界上食管癌新發(fā)病例最多的國家。食管癌是我國發(fā)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(fā)病機(jī)制等方面的研究取得諸多進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的不斷突破,近幾年來食管癌也邁入了免疫治療的新時代?？v觀現(xiàn)有研究的成果,不難發(fā)現(xiàn)僅有小部分患者能夠從免疫治療中獲益,篩選目標(biāo)人群及聯(lián)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(fā)現(xiàn),食管癌患者體內(nèi)的氨基酸、糖酵解、脂質(zhì)代謝、三羧酸循環(huán)等多條代謝途徑均發(fā)生不同程度的紊亂。這為食管癌免疫治療聯(lián)合代謝調(diào)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(huán)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(yīng)用生理培養(yǎng)基提高體外研究的臨床相關(guān)性

雖然免疫代謝為增強(qiáng)癌癥治療療效提供了大量機(jī)會,但TME臨床前體外研究仍有不足,許多關(guān)鍵研究發(fā)現(xiàn)所依賴的組織培養(yǎng)條件已被人為改善以促進(jìn)細(xì)胞生長,和體內(nèi)生理學(xué)并不相符。經(jīng)典的體外細(xì)胞培養(yǎng)條件依賴于基礎(chǔ)培養(yǎng)基,如RPMI或DMEM,其中含有過量的營養(yǎng)物質(zhì),可改變所培養(yǎng)細(xì)胞的代謝,與人體代謝機(jī)制存在差異。近年來,人類類血漿培養(yǎng)基(human plasma like medium,HPLM)和類似的生理培養(yǎng)基已被開發(fā)出來,這些生理培養(yǎng)基更接近人類血漿中的營養(yǎng)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(yǎng)基與傳統(tǒng)培養(yǎng)基中的顯著差異。例如,與HPLM相比,用高濃度丙酮酸的傳統(tǒng)培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)時,癌細(xì)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(tǒng)培養(yǎng)基中發(fā)現(xiàn),過量的胱氨酸提高了癌細(xì)胞的谷氨酰胺消耗和依賴性[46]。在傳統(tǒng)培養(yǎng)基中培養(yǎng)的細(xì)胞,高濃度的精氨酸會逆轉(zhuǎn)尿素循環(huán)中精氨琥珀酸裂解酶催化的反應(yīng)方向,而這一現(xiàn)象在生理培養(yǎng)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(lǐng)域,通過調(diào)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(yù)(包括免疫檢查點封鎖)結(jié)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(lǐng)域的研究進(jìn)展越來越快。然而,如何在復(fù)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(jī)制,并優(yōu)化代謝抑制劑,最大限度發(fā)揮其抗腫瘤作用。