靶向谷氨酰胺代谢增强抗肿瘤免疫和免疫治疗的研究进展2024.docx

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1、靶向谷氨酰胺代谢增强抗肿瘤免疫和免疫治疗的研究进展2024代谢重编程和免疫逃逸被认为是肿瘤的两大特征,在肿瘤的发生发展过程中起着重要作用。免疫检查点抑制剂的成功,开启了免疫疗法治疗肿瘤的新纪元。越来越多的证据表明,肿瘤细胞的代谢重编程有助于肿瘤免疫逃逸。肿瘤细胞处于高代谢状态,通过改变代谢途径来满足不受控制的生长和增殖需求。对谷氨酰胺的高需求导致多种类型的肿瘤对谷氨酰胺的依赖性。谷氨酰胺的代谢变化对肿瘤侵袭性和肿瘤微环境的重塑有显著影响。谷氨酰胺对免疫细胞的增殖和激活也至关重要。肿瘤细胞对谷氨酰胺的大量消耗会导致免疫抑制性肿瘤微环境,以及对免疫检查点抑制剂的耐药性。本综述总结了肿瘤细胞的谷氨酰

2、胺代谢特征及促进肿瘤免疫逃逸的研究进展,并探讨了靶向谷氨酰胺代谢增强抗肿瘤免疫和免疫治疗的最新策略。1、肿瘤细胞中谷氨酰胺代谢的特征肿瘤细胞优先利用糖酵解途径分解为葡萄糖,导致葡萄糖转化为乙酰辅酶A进入三竣酸(TCA)循环的过程被阻断。肿瘤细胞转而加速提高细胞内谷氨酰胺代谢,将代谢中间产物补充到TCA循环,以维持细胞内的生物合成水平,这个过程被称为“回补”。谷氨酰胺回补驱动TCA循环能够为氨基酸和核酸的合成提供氮,并为补充TCA循环中间体提供碳,这些中间体是生物合成的基石。此外,谷氨酰胺促进谷胱甘肽(GSH)和还原型烟酰胺腺喋吟二核甘酸磷酸(NADPH)产生,参与维持细胞氧化还原稳态。谷氨酰胺

3、分解代谢活跃是肿瘤细胞的一个基本代谢特征。谷氨酰胺分解是指细胞通过多种酶将谷氨酰胺转化为TCA循环代谢物的过程。谷氨酰胺通过溶质载体(S1.C)转运蛋白进入细胞后,首先通过谷氨酰胺酶(G1.S)转化为谷氨酸。谷氨酸接着通过两条不同的途径转化为Q-酮戊二酸(Q-KG):通过谷氨酸脱氢酶(G1.UD);通过一组转氨酶,包括谷氨酸-草酰乙酸转氨酶(GOT)、谷氨酸-丙酮酸转氨酶(GPT)和磷酸丝氨酸转氨酶(PSAT)。这样产生的Q-KG可以作为回补底物参与到TCA循环中(图Do谷氨酰胺分解的主要功能是促进肿瘤细胞增殖、抑制肿瘤细胞死亡、促使肿瘤生长。谷氨酰胺是一种非必需氨基酸,正常细胞可通过自身合成

4、产生谷氨酰胺。但肿瘤细胞依靠自身合成的谷氨酰胺不能满足快速增殖的需要。在许多肿瘤中,肿瘤细胞通过细胞膜上S1.C转运蛋白从胞外摄入谷氨酰胺或增强谷氨酰胺代谢通路中关键代谢能的表达与活性,以维持增殖的需要。与谷氨酰胺转运相关的氨基酸转运体主要包括S1.C1A5/ASCT2、S1.C7A5/1.ATl、S1.C38A2/SNAT2和S1.C7A11xCT等。S1.CIA5是谷氨酰胺的主要转运蛋白,在许多类型的肿瘤中表达增加并与不良预后相关。例如,S1.C1A5介导的氨基酸代谢在促进白血病发生、进展中发挥关键作用。S1.C1A5的抑制或缺失会对细胞代谢产生广泛影响,破坏亮氨酸流入和哺乳动物雷帕霉素靶

5、蛋白(mTOR)信号转导,诱导白血病细胞凋亡6。G1.S将谷氨酰胺水解为谷氨酸和游离氨,是谷氨酰胺回补通路的限速步骤。G1.Sl在各种肿瘤细胞中过表达,并与较晚的肿瘤分期和较差的临床预后相关。抑癌基因ARlDIA突变是透明细胞卵巢癌中最常见的突变。研究发现，ARIDlA失活上调G1.Sl,通过TCA循环增加谷氨酰胺的利用和代谢,促进天冬氨酸和核甘酸的合成来满足细胞增殖的需求。G1.UDl将谷氨酸氧化脱氨为-KG,是谷氨酰胺分解代谢的关键醯之一,在多数肿瘤中表达上调。谷氨酰胺分解过程中产生大量的氨,可以重新被G1.UDl同化进氨基酸合成通路,促进乳腺癌细胞的生长和增殖9o最近的研究发现,蛋白质稳

6、定性增加是肺腺癌中G1.UDl上调的关键因素，G1.UDl的过表达促进肺腺癌细胞的增殖和迁移10o谷氨酸可以通过氨基转移酶途径转化为Cl-KG而不产生氨,谷氨酸在这些转运中起到氮供体的作用。例如,GOT2可催化谷氨酸和草酰乙酸转化为a-KG和天冬氨酸。GOT2促进天冬氨酸和Q-KG的产生，导致乳腺肿瘤细胞的快速增殖。GOT2在乳腺肿瘤细胞中高表达,可以作为三阴性乳腺癌患者的独立预后因素11o然而,肝细胞癌组织中GOT2的表达下调，且与不良预后相关。抑制肝肿瘤细胞中GOT2表达,通过调节谷氨酰胺代谢重编程促进谷氨酰胺水解和谷胱甘肽合成,进而促进肿瘤发展12。在各种肿瘤中,谷氨酰胺代谢受到癌基因和

7、抑癌基因的调节,促使肿瘤细胞通过谷氨酰胺代谢来满足能量需求。癌基因C-Myc在肿瘤中经常被扩增,是肿瘤细胞利用谷氨酰胺的主要驱动因子13。C-MyC转录结合到谷氨酰胺转运体的启动子区域,诱导ASCT2的表达,促进谷氨酰胺摄取增加。另外,c-Myc通过转录抑制miRNA-23a/b而上调G1.Sl表达,增强谷氨酰胺代谢14。在胰腺导管腺癌中,致癌突变型KRAS通过转录抑制G1.UD、诱导谷草转氨酶的表达来促进谷氨酰胺的代谢,以满足对NADPH的需求，维持肿瘤细胞的生长和存活15o除了来自癌基因的正向调节输入,谷氨酰胺的摄取也受到抑癌基因的负向调节。抑癌基因Rb家族蛋白的缺失已被证明可以通过E2F

8、依赖的ASCT2和G1.Sl的上调来调节谷氨酰胺的摄取和利用16oC-Myc和E2F是细胞分裂的两个关键促进因素,它们的作用很大程度上是通过使细胞获得谷氨酰胺来实现的，谷氨酰胺是伴随DNA复制的生物合成需求的关键代谢底物。一些肿瘤细胞非常依赖外源谷氨酰胺的分解代谢,以致于阻断谷氨酰胺的摄取将导致细胞凋亡，这被称为“谷氨酰胺成瘾(glutamineaddiction)”。迄今为止,以谷氨酰胺回补为靶点的多种化合物已被开发用于抗癌治疗。谷氨酰胺的类似物6-重氮-5-氧代-1.-正亮氨酸(DON)能够选择性地阻断谷氨酰胺参与的反应,“饿死”肿瘤细胞,但这种类似物不良反应过强,毒性太高,限制了它们的临

9、床应用17。谷氨酰胺转运蛋白的竞争性小分子抑制剂V-9302能够选择性靶向S1.C1A5,有效抑制谷氨酰胺摄取,减弱mTOR信号转导,导致氧化应激增加,促进了体外和体内的抗肿瘤反应18oG1.Sl的变构抑制剂CB-839(telaglenastat)靶向谷氨酰胺分解代谢的初始阶段,会影响谷氨酸下游的功能，具有良好的系统耐受性，已进入肿瘤治疗的I11期临床试验19o另外,G1.UDl抑制剂和转氨酶抑制剂阻碍谷氨酰胺TCA循环回补，并在临床前研究中有效减少肿瘤增殖20o尽管靶向谷氨酰胺代谢的每一步在肿瘤治疗中都显示出有希望的结果,但药物开发还面临许多挑战。肿瘤细胞的代谢适应性及抗肿瘤免疫力降低,可

10、能是抑制谷氨酰胺代谢的不良后果。因此,全面了解肿瘤微环境的谷氨酰胺代谢特征至关重要。2免疫细胞的谷氨酰胺代谢特征在肿瘤进展过程中,肿瘤细胞不断消耗谷氨酰胺以支持其快速增殖。谷氨酰胺缺乏已成为肿瘤微环境的一个众所周知的特征。越来越多的研究表明,谷氨酰胺代谢的重编程是肿瘤微环境中抗肿瘤免疫的决定因素21。免疫细胞是肿瘤微环境的重要组成部分,包括抗肿瘤的免疫效应细胞和促进肿瘤的免疫抑制细胞。肿瘤细胞对谷氨酰胺的掠夺性摄取导致浸润的免疫细胞对谷氨酰胺的利用受限和代谢适应，降低了免疫细胞的抗肿瘤效力,促进肿瘤免疫逃逸（图2）o免疫细胞的独特代谢特征,主要反映在不同细胞分化和功能状态下的不同代谢模式。不同

11、激活状态的T细胞表现出完全不同的代谢模式。谷氨酰胺是T细胞激活和发挥功能所必需的,因此,谷氨酰胺缺乏抑制T细胞增殖和细胞因子的产生22。有意思的是,体外T细胞活化过程中谷氨酰胺限制促进记忆性CD8+T细胞的分化，抑制谷氨酰胺代谢也阻止体内CD8+T细胞的耗竭23。最近的研究揭示了相关机制,效应性CD8+T细胞通过线粒体醮异柠檬酸脱氢醐2(IDH2)还原性竣化谷氨酰胺,产生一系列代谢产物,从表观遗传学上将CD8+T淋巴细胞锁定到末端效应器分化程序。因此,阻断这一代谢途径可以增加记忆性T细胞的形成24。CD4+T细胞包含许多细胞亚群,其中Thl亚群具有显著的抗肿瘤活性,而调节性T细胞(Treg)亚

12、群具有强大的免疫抑制作用。外源性营养可调节CD4+T细胞分化为不同的亚群。谷氨酰胺缺乏的条件下初始CD4+T细胞分化为Treg,而添加中间产物Q-KG的类似物则促进向Thl亚群分化25o此外,谷氨酰胺代谢还通过表观遗传学机制调控CD4+T细胞的命运和功能。Q-羟基戊二酸(2-HG)的增加对Thl7细胞的命运决定至关重要。抑制谷氨酸转化为-KG阻止了2-HG的产生,通过减少FOXP3基因位点的甲基化,导致Thl7细胞分化为Treg26。尽管G1.S缺乏减少了初始T细胞的活化和增殖并损害了Thl7细胞的分化，但G1.S的缺失促进Thl细胞和CD8+T细胞的分化和效应功能27o因此，谷氨酰胺代谢在促

13、进Thl7细胞和限制Thl细胞分化方面具有不同的作用。树突状细胞(DC)是重要的抗原呈递细胞,在维持适应性免疫反应中发挥重要作用。最近的研究发现，肿瘤细胞与I型经典DC(typeIclassicDCcell,CDCI)共同争夺肿瘤微环境中的谷氨酰胺28。肿瘤细胞和CDCl通过转运蛋白S1.C38A2竞争谷氨酰胺摄取,以调节抗肿瘤免疫。作为失利的一方，CDCl缺乏谷氨酰胺,导致其抗原提呈能力减弱,无法有效激活抗肿瘤的T细胞28。自然杀伤(NK)细胞属于免疫系统的细胞毒性淋巴细胞,能够杀死肿瘤细胞。研究表明,在谷氨酰胺缺乏的条件下,活化的NK细胞中氧化磷酸化和糖酵解显著减少，Y干扰素(IFN-Y)

14、的产生受到明显抑制。抑制谷氨酰胺分解代谢明显影响肿瘤细胞,但不影响NK细胞29。这项研究证明了谷氨酰胺代谢对NK细胞活化的重要性。肿瘤微环境中的免疫抑制细胞还包括肿瘤相关巨噬细胞(TAM)和髓源抑制细胞(MDSC)等。谷氨酰胺代谢通过促进TCA循环在TAM极化中发挥关键作用,抑制谷氨酰胺合成酶能使抑制性的M2型TAM极化为炎症性的Ml型TAM,并防止肿瘤转移30。最近的研究显示,化疗导致巨噬细胞分泌白介素(I1.)-18,进而上调骨肉瘤细胞中氨基酸转运体1.AT2,显著提高谷氨酰胺和亮氨酸的摄取，激活mTORCl和C-Myc介导的CD47转录,抑制巨噬细胞对肿瘤细胞的吞噬作用,导致免疫逃逸31

15、。另一项研究显示,肾透明细胞癌的谷氨酰胺代谢导致肿瘤微环境中巨噬细胞分泌I1.-23,I1.-23促进Treg的免疫抑制功能,从而促进肾透明细胞癌的进展和转移32o此外,肿瘤微环境中MDSC的产生依赖于谷氨酰胺水解,但不受葡萄糖缺乏的影响。谷氨酰胺代谢不仅通过-KG进MDSC扩增，而且通过谷氨酸-NMDA受体轴调控MDSC的抑制功能33o临床标本的检测也表明了肿瘤组织中谷氨酰胺代谢和免疫逃逸的相关性。在基底样乳腺癌患者中,谷氨酰胺代谢相关基因与T细胞的细胞毒性标志物之间呈负相关,谷氨酰胺代谢增加与T细胞的细胞毒性降低及更差的生存率相关34o另一项大型乳腺癌患者队列研究也显示,肿瘤组织中高水平的

16、谷氨酰胺转运体与程序性死亡-I(PD-1)、程序性死亡配体-1(PD-1.l)FOXP3和CD68的表达水平相关,并与患者的不良预后相关35。空间多组学分析人胃癌组织代谢重编程发现,谷氨酰胺在肿瘤组织中被过度利用,其在肿瘤周围淋巴组织中的含量表现出显著降低36o3、靶向谷氨酰胺代谢对肿瘤微环境的影响肿瘤微环境中的免疫抑制状态被认为是实体瘤发病机制的关键。与对葡萄糖的利用不同,肿瘤细胞和免疫细胞对谷氨酰胺的利用存在明显的差异(表1)。有趣的是,炎症性抗肿瘤免疫细胞似乎对谷氨酰胺代谢的依赖性较低,甚至受到抑制。利用谷氨酰胺的代谢差异,靶向谷氨酰胺代谢的干预措施可能损伤肿瘤细胞和免疫抑制细胞,同时导

17、致肿瘤微环境的谷氨酰胺积累,从而增强阳性免疫调节细胞的活性,是一种很有前景的治疗策略。在多种不同的小鼠肿瘤模型(结直肠癌、淋巴瘤、黑色素瘤)中，利用DON的前体药JHU-083阻断谷氨酰胺代谢后,肿瘤细胞的氧化磷酸化和糖酵解代谢减弱,而CD8T细胞快速增殖和激活,显著提高了免疫系统对肿瘤细胞的杀伤作用37。这种阻断谷氨酰胺代谢所揭示的肿瘤细胞和效应T细胞之间的代谢可塑性差异,有望作为肿瘤免疫治疗的“代谢检查点”。另一项研究报道了JHU-083联合表皮生长因子受体(EGFR)多肽疫苗能更有效地抑制小鼠肺癌的进展。其中,JHU-083增加了CD8+T细胞和CD4+Thl细胞的浸润,并降低了MDSC

18、和Treg等抑制性免疫细胞38。DRP-104(Sirpiglenastat)是另一种新型DON前体药,能影响肿瘤的多种代谢途径，包括降低谷氨酰胺进入TCA循环的流量。最近的研究发现,DRP-104的抗肿瘤作用依赖于CD8+T细胞,并导致强大的免疫记忆39。DRP-104增强T细胞和NK细胞等效应细胞的浸润,减少TAM和MDSC等免疫抑制性细胞,广泛重塑肿瘤微环境,表现出明显的抗肿瘤活性40。此外,G1.Sl抑制剂CB-839减少了患者来源的黑色素瘤细胞系中谷氨酰胺的消耗,使其对自身肿瘤浸润淋巴细胞的杀伤作用更敏感41。富含谷氨酰胺的微环境促进了T细胞对肿瘤细胞的细胞毒性活性,CB-839治疗

19、显著增强了这种作用。小分子药物的水溶性差,在体内快速清除,组织通透性差,具有全身毒性等缺陷。纳米递送系统不仅可以保护负载的药物在体循环过程中以防被快速降解,还可以增加药物在肿瘤部位的分布。研究表明,负载谷氨酰胺拮抗剂DON的纳米载体促进肿瘤细胞的免疫原性细胞死亡和肿瘤组织中CD8T细胞浸润,联合电动力疗法在高度免疫抑制的肿瘤模型中产生了强大的治疗效果42o最近,研究人员开发了一种乳酸氧化醯修饰的纳米平台负载G1.Sl抑制剂CB-839,能诱导产生活性氧风暴以引发免疫反应,抑制谷氨酰胺代谢依赖性细胞（如肿瘤细胞和免疫抑制细胞等）,增加DC的浸润,重编程CD8+T淋巴细胞形成高度活化、长寿命和记忆

20、样表型,显著抑制了小鼠乳腺癌的生长43。谷氨酰胺代谢相关的氧化还原稳态调节和免疫抑制微环境可能减弱光动力疗法引发的免疫治疗效果。通过另一种G1.S抑制剂C968和光敏剂的自组装,构建了具有双重协同作用的免疫治疗纳米增强剂。C968抑制谷氨酰胺代谢,导致谷胱甘肽缺乏,放大了光动力疗法诱导的细胞内氧化应激,增强免疫原性细胞死亡效应。同时,这种纳米增强剂通过阻断谷氨酰胺代谢,将M2型TAM极化为Ml型TAM,从而进一步募集和激活细胞毒性T细胞,有效抑制了原发肿瘤和远处肿瘤44。这种“一举两得”的策略将有助于增强肿瘤免疫原性和减轻肿瘤免疫抑制,从而提高光动力疗法的免疫治疗效果。此外,研究人员将光敏剂和

21、谷氨酰胺拮抗剂封装在肿瘤细胞膜中以实现体内特异性递送。这种方法诱导肿瘤细胞和免疫细胞的代谢重编程,导致免疫原性细胞死亡,促进DC成熟，触发强烈的肿瘤特异性免疫反应，重塑了肿瘤免疫抑制微环境45o最后,利用纳米技术包埋糖酵解抑制剂山苴若碱和抗谷氨酰胺醯的SiRNA,通过抑制糖酵解以减少乳酸的产生,并下调谷氨酰胺酶的表达以减少肿瘤细胞对谷氨酰胺的摄取，从而实现代谢和营养分配的有效重塑,提高T细胞的营养可利用性,增强抗肿瘤免疫力46。此外,谷氨酰胺被认为是一种免疫营养素,补充谷氨酰胺可以调节肿瘤治疗过程中的免疫细胞增殖。在恶性唾液腺肿瘤中，缺乏自噬基因ATG5通过增加了肿瘤中谷氨酰胺的水平,抑制肿瘤

22、微环境中抑制性的Treg和巨噬细胞水平,促进CD8+T细胞浸润和IFN-产生,从而增强了抗肿瘤免疫。在ATG5+/+小鼠中,通过膳食补充谷氨酰胺,部分增加了谷氨酰胺水平,并恢复了有效的抗肿瘤反应47。此外,瘤内补充谷氨酰胺通过增强CDCl介导的CD8+T细胞免疫来抑制肿瘤生长28o这些补充谷氨酰胺的研究也证实了肿瘤细胞、细胞毒性CD8+T细胞和Treg之间的代谢可塑性差异。4、靶向谷氨酰胺代谢通路增强免疫检查点抑制剂的疗效尽管以PD-1.l/PD-I抗体药物为代表的免疫检查点抑制剂在多种肿瘤中取得巨大成功,但肿瘤的总体缓解率仍然不理想。快速增殖的肿瘤细胞和T细胞之间竞争性的营养消耗导致肿瘤免疫抑制性微环境,是免疫疗法低反应率和耐药性的关键因素。为了增强抗肿瘤免疫,将免疫检查点阻断与肿瘤代谢重编程相结合可能是一种很有前途的策略。最近的一些研究表明,靶向肿瘤谷氨酰胺代谢通路可以促进抗肿瘤免疫反应,并增加肿瘤对免疫检查点阻断的敏感性。