Nature综述 肿瘤(TME)中的免疫细胞代谢.docx

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1、肿瘤免疫代谢是当今研究的热点问题，近日NatReVCanCer上发表了重磅综述，详细阐述了癌细胞代谢和免疫代谢之间的相互作用。值得关注的是，癌细胞的代谢产物乳酸，在糖酵解、肿瘤微环境中发挥重要作用，业已成为肿瘤研究的热点方向。独家提供“乳酸化抗体、乳酸化修饰组学分析“等多种蛋白质修饰检测服务，助力科研工作者探索更多生命奥秘！细胞代谢是癌细胞和免疫细胞维持活力和功能的关键因素。免疫疗法包括免疫检查点的抑制与过继细胞疗法（CART）,在肿瘤免疫中得到广泛应用，成为治疗癌症的成熟手段。肿瘤为了维持其庞大的合成代谢需求，采用了与普通体细胞不同的代谢机制一一Warburg效应，这种代谢方式可以导致肿瘤微

2、环境呈酸性、低氧，和/或耗尽了免疫细胞所需的关键营养物质。在这种情况下，肿瘤代谢本身就可以抑制免疫检查点对肿瘤细胞的破坏。2020年7月6日，美国约翰霍普金斯大学医学院肿瘤系SidneyKimmel综合癌症研窕中心的JonathanD.Powell教授课题组在NatRevCancer上发表了题为rtMetabolismofimmunecellsincancer”的综述，试图阐明癌细胞代谢和免疫代谢之间的相互作用，有助于通过选择性调节免疫细胞功能而对癌细胞采取干预。由于免疫治疗已成为肿瘤治疗的支柱，因此深入了解浸润性免疫细胞与癌症之间的代谢依赖性变得越来越重要。本综述旨在讨论以下基本问题：1.哪

3、些代谢程序对于参与癌症免疫应答的细胞亚群至关重要？2.这些代谢程序在TME中如何受到干扰？3.TME中代谢紊乱对当前免疫治疗的影响？4.如何利用代谢干预措施来增强抗肿瘤免疫反应？绪论研究表明，激活的免疫细胞可以利用多条代谢途径帮助癌细胞生长（图1）,同时二者也会在肿瘤微环境（TME）中竞争营养。但是，癌细胞与免疫细胞之间，以及不同免疫细胞之间的代谢存在根本差异，了解这些差异有助于肿瘤的有效治疗。高代谢活性的癌细胞会对TME产生深远的影响，导致营养物质消耗、缺氧、酸性和代谢产物的产生，浓度过高下可能具有毒性。研究表明，阻断免疫检查点可以抑制肿瘤细胞的糖酵解，恢复TME中的葡萄糖，并允许T细胞糖酵

4、解和细胞因子的产生。而肿瘤细胞上的免疫检查点（包括PDl和B7-H3）发出的信号会导致TME中的葡萄糖消耗增加，这正是因为肿瘤酸化直接激活了免疫检查点的相关途径。例如，肿瘤固有代谢中的六胺生物合成途径（HBP）或谷氨酰胺代谢，就可以促进免疫反应并使肿瘤获得对免疫检查点封闭的敏感性。；*AdenoMneOycoIytHAcetyKloA9yc*yCtfatonHexoMminebiosynthesispathwayAminocdandproenMQhTS：Uct4t.H,ROSR-2-HGFrctow6pbophM-potpho9lycr41eCancercell1.relate.HMitoch

5、ondrionHDepletednutrienImmunOWP(X、5Qmee图1TME中的癌细胞代谢和异常1肿瘤免疫微环境癌细胞所特有的高代谢途径（图1）对TME中营养成分等影响较大，并可能对免疫反应产生关键影响。癌细胞的高代谢活性和TME中紊乱的脉管系统都可以导致营养物质的缺乏和低氧微环境，在癌细胞与浸润的免疫细胞之间建立代谢竞争。在TME细胞内活跃的代谢程序也可能导致某些代谢产物的毒性浓度增加。TME中己报道了腺昔，犬尿氨酸，鸟氨酸，活性氧（ROS）和钾的水平升高，以及酸中毒增加都会在抑制抗肿瘤免疫反应方面产生深远影响。TME的免疫环境由一系列不同的细胞类型构成（表1）。效应细胞执行细胞

6、杀伤功能，无论在天然免疫还是适应性免疫反应中。在适应性免疫反应中的抗肿瘤细胞包括CD4+和CD8+Teff细胞，它们通过不同机制杀死癌细胞。CD8+Teff细胞通过诱导凋亡和细胞因子分泌直接杀死肿瘤细胞中。CD4+T细胞包含许多细胞亚群。其中一些细胞亚群（如ThI）也具有显着的抗肿瘤活性。这些抗肿瘤CD4+T细胞（CD4+conv）与免疫抑制性CD4+T细胞（Treg）不同。尽管CD4+conv细胞可能参与直接杀死肿瘤细胞，但它们主要通过细胞因子分泌和协助CD8+T细胞活化来促进抗肿瘤免疫。抗肿瘤CD4+convT细胞与CD8+Teff细胞具有相同重要的代谢特征。尽管就抗肿瘤免疫性而言，B细胞

7、的研究较少，但B细胞也可能在TME中发挥效应作用。重要的是，作为适应性免疫系统的一部分，T细胞和B细胞会产生记忆细胞群，这些记忆细胞群在感染或肿瘤反应消退后会持续很长时间。CD8记忆T细胞（Tmem）是长期肿瘤控制的关键。先天细胞，例如自然杀伤（NK）细胞和炎性巨噬细胞，也具有关键的抗肿瘤效应功能。TME内还有免疫抑制细胞群，包括CD4+FoXP3+Treg细胞，髓样抑制细胞（MDSC）,抗炎巨噬细胞和一些B细胞亚群。抗原呈递细胞，例如肿瘤内树突状细胞（DC）,在维持TME内的适应性免疫反应起重要作用。表】肿瘤微环境中的细胞组成2抗肿痛反应的代谢Ol抗肿瘤效应T细胞的葡萄糖代谢CD4+conv

8、和CD8+Teff细胞形成了抗肿瘤免疫反应的关键细胞群。初始T细胞在识别抗原呈递和共刺激因子的信号后，可以进行增殖以及代谢。尽管许多早期研究说明有氧糖酵解的上调是T细胞活化的标志，但现研究表明三陵酸（TCA）循环代谢和OXPHoS上调也是CD4+conv和CD8+T细胞活化的关键。尽管TCA循环代谢在激活后24h内被上调，但有氧糖酵解上调更为迅速，发生在激活后6h内。MYC和缺氧诱导因子I（HlF-I）的转录活性均受T细胞活化而上调，并促进代谢重编程。值得注意的是，尽管HlF-I调节缺氧反应的代谢，但在缺氧条件下，其活性也会因响应T细胞活化而被诱导。MYC和HIF-I的转录活性导致编码促进糖酵

9、解的酶（例如丙酮酸激酶（PKMl）,己糖激酶2（HK2）和G1.UTl）相关基因的表达上调。糖酵解途径中来自近端代谢产物的途径也是T细胞活化和功能的组成部分（图1）。磷酸戊糖途径（PPP）代谢6-磷酸葡萄糖生成NADPH和5-核糖。在CD4+T细胞激活后，进入PPP的葡萄糖显着增加。PPP是NADPH的主要细胞来源，也是新激活的CD8+T细胞中脂肪酸和质膜合成所必需。NADPH对于REDOX稳态在增殖哺乳动物细胞中也至关重要。激活的T细胞中的ROS水平需要进行精细调节。尽管失调的ROS水平可能具有毒性，但ROS在Teff细胞活化中起着重要作用，已被证明可促进CD4+和CD8+T细胞中NFAT依

10、赖性的I1.-2表达。另一条起源于早期糖酵解反应的途径是HBP,是糖基化底物的主要细胞来源，它可介导多种蛋白质，包括稳定性，运输以及功能作用。HBP依赖于葡萄糖和谷氨酰胺的代谢，并且对它们发生反应。由HBP产生的主要底物UDP-GlcNAc对于效应CD4+和CD8+T细胞的扩增和功能至关重要。最后，丝氨酸-甘氨酸一一碳途径使细胞能够生成用于叶酸循环的丝氨酸，甘氨酸，NADPH和一碳单位。Teff细胞的增殖和功能在体外和体内都取决于丝氨酸的充分代谢（图1）。未代谢为乳酸或通过糖酵解途径代谢的葡萄糖碳对TeiT细胞中的TCA循环有重要作用6（图1）。在高度增殖的细胞中，TCA循环的中间体被迅速消耗

11、，以作为广泛的生物分子合成的基础，这一过程称为Cataplerosiso例如，柠檬酸盐可以输出到细胞质中以再生成乙酰辅酶A,用于脂质和胆固醇的合成，这两者对于在增生的Teff细胞中产生细胞膜至关重要。像癌细胞一样，Teff细胞具有高度增殖能力，并上调特定的糖酵解程序，包括有氧糖酵解、PPP、HBP和TCA循环，以实现大量的细胞分裂和效应功能。02TME中的T细胞和葡萄糖受限TME中的葡萄糖受限会明显影响T细胞反应。例如，低葡萄糖条件（HPmM）抑制了T细胞中糖酵解中间体磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的生成，从而破坏了体外钙依赖性NFAT信号传导。与对照相比，降低生长培养基中的葡萄糖浓度可以抑制细胞

12、外酸化率，增加耗氧率，减弱mTOR信号传导并抑制两者的效应功能。降低的mTOR复合物1（mTORCl）信号干扰Teff细胞分化，并且在CD4+T细胞的情况下有利于免疫抑制性Treg细胞的发展。有趣的是，在CD8+T细胞中，雷帕霉素对mTOR的阻滞促进了Tmem细胞的分化，这可能在维持抗肿瘤反应中发挥重要作用。与对照培养基相比，葡萄糖的下降抑制了Teff细胞中关键效应分子干扰素-Y（INFY）,I1.-17和颗粒酶B的产生。原发性卵巢癌细胞条件下培养基中的葡萄糖限制导致microRNA介导的组蛋白甲基化酶EZH2的抑制，导致NOTCH信号减少，细胞因子产生受到抑制以及Teff细胞活力降低。在共培

13、养实验增加小鼠肉瘤细胞的糖酵解能力,可以导致CD8+T细胞效应功能受到抑制。同样，与野生型肿瘤相比，在小鼠模型中，植入过表达Hk2的黑色素瘤细胞抑制了CD4+T细胞的抗肿瘤效应功能和体内反应。此外，黑色素瘤和非小细胞肺癌患者肿瘤样品中糖酵解相关基因的表达与T细胞浸润呈负相关。我们也可以通过直接操纵T细胞代谢来实现新陈代谢平衡。例如，与对照相比，在黑色素瘤中肿瘤特异性CD4+T细胞中糖酵解酶PEP峻激酶的过表达可以改善抗肿瘤反应。线粒体呼吸也是Teff细胞代谢的关键。最近的研究报道，癌症患者的T细胞（与健康对照相比）和荷瘤小鼠的肿瘤浸润性CD8+T细胞（与非浸润性CD8+T细胞相比）显示线粒体质

14、量降低以及线粒体功能障碍。与健康对照相比，慢性淋巴细胞性白血病患者外周CD8+T细胞的线粒体受损。此外，这些患者对CART细胞疗法的反应程度与注入的CART细胞的线粒体损伤程度呈负相关。与健康供体的CD8+T细胞相比，肾细胞癌患者的肿瘤浸润性CD8+T细胞显示线粒体动力学和功能失调，包括线粒体ROS水平升高和超极化。这些T细胞的正常体外活化可以通过线粒体ROS清除剂或丙酮酸补充进行挽救。线粒体的生物发生和功能在功能失调的肿瘤浸润性CD8+T细胞的亚群（特别是耗竭性T细胞）中极为紊乱。总体而言，这些研究表明癌症本身可以导致Teff细胞代谢紊乱，包括线粒体动力学，并且癌细胞的糖酵解活性程度与浸润性

15、T细胞的抗肿瘤效应功能之间存在相互关系。03氨基酸与抗肿瘤T细胞反应像癌细胞一样，高度增殖的免疫细胞（例如活化的T细胞）也依赖于氨基酸代谢来支持蛋白质和核甘酸的合成。因此，氨基酸转运蛋白，包括S1.C7A5（也称为1.AT1）,S1.C38A1（也称为SNAT1）,S1.C38A2（也称为SNAT2）和S1.CIA5（也称为ASCT2）在T细胞激活后被高度上调。必需氨基酸必须是外源获得。例如，亮氨酸是效应CD8+和CD4+convT细胞中mTORCl信号传导，效应功能和分化所必需。活化的T细胞还可以快速代谢精氨酸，外源性精氨酸的补充可以改善T细胞的适应性并增加中央Tmem细胞的生成。丝氨酸，色

16、氨酸和半胱氨酸也是T细胞反应的重要营养成分，因此是抗肿瘤免疫反应的重要介质。色氨酸是必需氨基酸，在TME中是决定T细胞反应强度和有效性的重要因素。与正常培养基相比，在不含色氨酸的培养基中，人类T细胞的增殖和活化受到了强烈抑制。癌细胞，肿瘤相关巨噬细胞（TAM）,MDSC,抑制性DC和癌症相关成纤维细胞可通过吧噪胺2,3.二加氧酶（IDo）的酶促活性耗尽色氨酸水平，这些酶可在TME内高水平表达。代谢途径对肿瘤生长的十分重要，IDO表达与多种癌症类型（包括胃癌，结肠直肠癌，非小细胞肺癌和黑色素瘤）患者的不良预后相关。在增殖细胞中，谷氨酰胺为氨基酸和核酸的合成提供氮，为TCA循环中间体提供补充的碳，

17、这个过程被称为“anaplerosis”（图1）。癌细胞和一些活化的免疫细胞，例如T细胞和巨噬细胞，通常富含高度谷氨酰胺。在体外刺激鼠CD4+convT细胞的过程中，谷氨酰胺转运蛋白S1.CIA5和S1.C38A1和域S1.C38A2的表达显着上调。在MYC的驱动下，谷氨酰胺被谷氨酰胺酶（G1.S）代谢为谷氨酸，在由谷氨酸脱氢酶（G1.UDI）转化为-酮戊二酸（KG;也称为2-氧戊二酸）后，谷氨酰胺可能进入TCA循环。随后在TCA周期中，aKG被代谢为琥珀酸盐和富马酸盐。有趣的是，在谷氨酰胺受限的情况下，一些癌细胞系转换为葡萄糖引起的anaplerosis,其中丙酮酸被丙酮酸粉化酶转化为草酰乙

18、酸，进入TCA循环。最近表明，在体外谷氨酰胺阻断的条件下，效应CD8+T细胞也能够上调丙酮酸度化酶的活性。尽管通过限制培养基中的谷氨酰胺可以抑制分化的CD8+Teff细胞的效应功能和增殖，但如果在激活CD8+T细胞的过程中限制了谷氨酰胺的利用率，它会改变向CD8+记忆表型的分化，研究表明分化作用是由aKG介导的。QKG和其他TCA代谢物（例如琥珀酸酯和富马酸酯）可以调节多种细胞过程的活性，包括表观遗传重塑和关键转录因子（如HlF-I）的稳定性。04脂质代谢与T细胞活化的T细胞还可以重新编程脂质代谢，上调脂质合成和胆固醇摄取，其对细胞膜合成至关重要，并分别由转录因子固醇调节元件结合蛋白I（SRE

19、BPI）和SREBp2介导。在缺少SREBPl和SREBP2功能的活化小鼠CD8+T细胞中，增殖，代谢重编程和抗病毒活性被显着抑制。此外，在体外CD8+T细胞活化和扩增过程中，细胞膜中的胆固醇含量部分受胆固醇酯化酶乙酰辅酶A乙酰转移酶（ACATl）调节。在过继转移小鼠肿瘤模型中，Acatl基因敲除的CD8+T细胞表现出增加的膜胆固醇和改善的T细胞受体聚集和信号传导，从而导致增殖，功能增强和杀伤力增强。用阿瓦西米对ACATl的药理抑制作用改善了小鼠的抗肿瘤作用。最新研究证明肿瘤中高胆固醇可通过激活内质网应激反应而诱发T细胞功能障碍。因此，尽管胆固醇对于Teff细胞的增殖和代谢很重要,但针对胆固醇

20、代谢特定方面改善抗肿瘤免疫反应的益处尚需进一步研究。05免疫记忆的代谢与Teff细胞不同，CD8+Tmem细胞优先依赖OXPHOS。与CD8+Teff细胞相比，增强的备用呼吸能力也是Tmem细胞的高度特征。最初研究显示使用埃托莫西酯作为肉碱棕桐酰转移酶IA（CPTlA）的抑制剂，该酶是线粒体转运蛋白，负责长链脂肪酸的进入以进行脂肪酸B-氧化（FAO）,表明FAO是Tmem中OXPHOS的主要燃料。然而，最近使用T细胞特异性CPtIa敲除模型进行的研究对此提出了质疑，并证明了高剂量依托莫昔（200m）的脱靶效应可能是原因。TCA循环的中间体，例如KG,琥珀酸酯和富马酸酯，在适应性记忆中特别重要。

21、通过改变这些TCA代谢产物抑制2-氧戊二酸依赖性双加氧酶（20GDD）己显示可增加CD8+T细胞中的记忆细胞分化。尽管葡萄糖，谷氨酰胺和脂肪酸是推动TCA循环的主要营养来源，但一系列其他营养物质（例如氨基酸和乙酸盐）也可以进入该循环。特别是，乙酸酯代谢正在成为CD8+T细胞和某些癌症类型中乙酰辅酶A的重要来源。在线粒体中，乙酸盐在被酰基辅酶A合成能短链家族成员I（ACSSI）代谢形成乙酰辅酶A后可以进入TCA循环。另外，乙酸盐可以在细胞质中通过ACSS2转化为乙酰辅酶A,在乙酸中它可以促进脂肪酸合成和乙酰化反应，这对于表观遗传重编程和翻译后修饰有重要意义。乙酸盐的代谢是促进记忆CD8+T细胞功

22、能的重要代谢途径。有趣的是，在T细胞活化过程中，谷氨酰胺代谢的阻滞增加了Tmem细胞的分化，并诱导了乙酸代谢和相关的酶，包括ACSSI和ACSS2l6,850作为静止细胞，Tmem细胞相对于有氧糖酵解优先依赖于OXPHOS,并且具有显着的线粒体储备，这是抗原活化后进一步上调OXPHOS所必需。Tmem细胞可以采用几种不同的营养来源，以促进这种代谢程序。06缺氧与抗肿瘤T细胞反应尽管肿瘤具有高度异质性，但高水平的代谢活性和相关的氧气消耗以及功能紊乱，功能差的脉管系统仍会产生缺氧区域，中位氧饱和度水平低于2%（正常组织中值约为5%）。缺氧对Teff细胞的影响并不直接。在常氧条件下，HIF-I转录活

23、性会响应T细胞活化而被上调，因此要了解缺氧对进一步增强HlF-I活性的影响，同时还要评估HIF-I的依赖效应，具有一定的挑战性。早期对CD8TefT细胞活化，分化和功能的体外研究表明，尽管在缺氧条件下抑制了增殖和某些细胞因子的表达，但其溶解能力，活化标记物和存活率却得到了改善。随后的体内研究表明，与暴露于环境02张力（20%）的小鼠相比，暴露于低于大气02张力（8%）的小鼠中CD4+和CD8+脾T细胞的活化更弱。其他研究表明，体外低氧暴露会导致代谢物（三）-2-羟基戊二酸（S-2-HG）在细胞内积聚，从而深刻改变CD8+T细胞的活化和分化，抑制细胞因子的分泌和溶细胞能力。但有趣的是，在小鼠模型

24、体内转移后增强增殖，长期生存和抗肿瘤反应。糖酵解活性通过组成性HIF-I活性（通过有条件地敲除HIF-I调节剂Vhl来实现）实际上促进了疫苗模型中长效效应记忆细胞的数量。其他工作表明，缺氧诱导了TME中各种细胞外切核甘酸酶CD39和CD73的表达，这些酶将TME中的ATP分解为腺甘。腺昔是A2A和A2B口票吟能受体的配体，它们在广泛的免疫细胞中表达，并且广泛地具有免疫抑制作用，抑制效应细胞功能和Teff细胞增殖。有趣的是，补充氧气通过下调腺昔信号传导途径来增强小鼠T细胞的抗肿瘤免疫反应。缺氧对抗肿瘤T细胞的影响是一个不断发展的研究领域。考虑到肿瘤中低氧区域的普及以及低氧对适应性免疫反应的深远影

25、响，其进一步的研究将显然有益于免疫治疗领域。07毒性代谢物除腺昔外，癌细胞代谢产生的许多其他产物也会影响浸润的T细胞（图1和2）。在小鼠和人CD8+T细胞的体外研究中，TME中细胞外乳酸和H+的水平升高可以抑制T细胞增殖，存活，细胞毒性和细胞因子的产生。与标准生长培养基相比，在高水平的乳酸和H+存在下，小鼠CD8+T细胞的体外激活过程中，编码关键Teff细胞转录因子NFAT的基因的上调受到损害。体内小鼠研究表明，与空载细胞相比，被1.dha敲除的小鼠黑色素瘤细胞产生的乳酸更少，对免疫介导的肿瘤排斥反应的反应更强。与对照培养基相比，在乳酸和H+升高的情况下激活的人效应CD8+T细胞中，MAP激酶

26、信号传导也受到严重破坏。ImmunowppressivemetabolitesSB1.ectAteAd*noiTANK结合激酶I(TBKl)和IkB激酶e(IKKE)通路信号驱动这种糖酵解代谢转换，它可以被腺背单磷酸(AMP)活化蛋白激酶(AMPK)或抗炎细胞因子I1.-IO抑制。驱动代谢开关的初始过程是不依赖于诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的，并直接由限速酶糖酵解酶己糖激酶控制。然而，随后发生的持续树突状细胞分化和成熟依赖于T1.R驱动的iNOS的上调，从而抑制线粒体电子传递。值得注意的是，细胞内糖原储存支持这种糖酵解的促进，而糖原磷酸化酶抑制剂CP91149抑制糖酵解，从而剥夺了T1.R介图3：T1.R激活后DC亚群的代谢变化。IFNAR-interferon-3