靶向免疫代谢改善肿瘤微环境

刘谷一,周宏祎,丁剑兰,陈乐乐,孙江涛

目前癌症代谢已经得到了广泛的研究,人们普遍认为癌基因转化可以引起癌细胞代谢重编程,从而深刻影响肿瘤微环境(tumer microenvironment,TME)[1]。TME由复杂基质中的不同细胞群组成,其血管系统通常有限或分化不良,导致营养和/或氧气输送以及废物清除效率低下。当快速增殖的癌症细胞和免疫细胞竞争抗肿瘤所必需的营养物质时,这种较差的血管交换可能导致TME中的营养限制[2]。在这些情况下,肿瘤自身的代谢微环境可以呈现为一个免疫抑制环境。值得注意的是,这种恶劣的环境迫使免疫细胞进行与耐受表型相关的代谢适应。最终,免疫细胞中的这些代谢变化会破坏抗肿瘤免疫反应的有效性。

改变细胞代谢的策略现在为癌症治疗提供了更多希望。具体来说,抑制或改变癌症代谢以提高TME营养可用性,或调节免疫代谢以增强免疫反应,将有助于最大限度地提高癌症治疗的疗效。一个关键的问题是,癌细胞使用的许多代谢途径变化可能受到特定环境的影响,不同的微环境可能导致不同的结果,且在体外培养中受到了诸多限制。

本文综述了目前在TME中调节免疫代谢的策略和正在研究的分子靶点,并对代谢研究中体外培养条件的局限性进行了阐述。

1 活化的免疫细胞的代谢特征和营养需求

免疫细胞在激活时期、适应不同组织环境的时期以及炎症或疾病时期会形成特定的代谢特征[3]。重要的是,当其向TME迁移后,免疫细胞内也会发生相应的代谢变化。

由于其独特的代谢程序,T细胞亚群是TME内发生代谢变化的典型例子。简言之,活化的T细胞加速糖酵解和谷氨酰胺分解代谢,优先使用有氧糖酵解而不是TCA(tricarboxylic acid cycle,TCA)偶联的OXPHOS来产生ATP和生物合成[4]。然而,CD28共刺激激活可以增加备用线粒体容量,并在低葡萄糖条件下增强呼吸[5]。相比之下,调节性T细胞(Treg)依赖OXPHOS和脂肪酸氧化(fatty acid oxidation,FAO)来支持其生存和分化[6],并可能独特地激活5`-AMP活化蛋白激酶(adenosine 5‘-monophosphate-activated protein kinase,AMPK)信号,促进mTOR复合物Ⅰ(mammalian target of rapamycin,mTORC1)活性以驱动分解代谢过程[7]。

髓系细胞在激活时也表现出特有的代谢表型。肿瘤抗原通过toll样受体(toll-like receptors,TLR)信号激活DCs,导致糖酵解和脂肪酸合成(fatty acid synthase,FAS)的快速增强。树突状细胞仍然具有糖酵解作用,并受mTOR和缺氧诱导因子1α (hypoxia-inducible factor 1-alpha,HIF-1α)调控[8]。同样,巨噬细胞通过激活糖酵解、FAS和改变氮循环代谢来适应TME,同时保持其细胞因子产生和血管生成因子分泌这些促肿瘤功能。肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages,TAMs)被分为M1样和M2样表型。M1样TAMs更具炎症表型,并通过糖酵解、FAS和氨基酸代谢来支持其功能。相反,利用TCA循环和FAO的M2样TAMs表现出更具炎症抑制的表型[9]。关于人类巨噬细胞表型的研究有限,巨噬细胞代谢数据主要来自于小鼠研究。尽管如此,M1样和M2样TAMs的代谢编程之间似乎存在明显的区别,这可能会构成一种特殊的靶向治疗方向。

中性粒细胞和骨髓源性抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)在TME中具有复杂的作用,可促进癌症的发生进展。中性粒细胞通常被认为是纯粹的糖酵解,以支持ATP生成和微生物杀灭。然而,在葡萄糖受限的条件下,TME中的中性粒细胞可能参与氧化线粒体代谢[10]。尽管中性粒细胞通常具有炎症性,但它们与癌症进展有关,作用机制可能与MDSC有关联[11],MDSC可以有效地抑制先天性和适应性免疫。骨髓细胞的MDSC亚群及其代谢特征尚未完全确定,但被认为是肿瘤的治疗靶点。在体外生成的MDSCs中,随着AMPK的激活,糖酵解、谷氨酰胺水解和TCA循环活性增加。然而,与外周MDSCs相比,浸润肿瘤的MDSCs中线粒体增加,优先使用FAO而非糖酵解作为主要能量来源。最近,糖酵解副产物甲基乙二醛被认为是一种更特异的MDSCs标记物,可能在抑制T细胞效应功能中发挥关键作用[12]。

2 靶向TME内的低血糖

癌细胞糖酵解活性增强,加上血管交换不良,可能导致TME内葡萄糖的可用性降低。虽然某些肿瘤可以获取葡萄糖,但与血浆或健康组织相比,其糖含量仍低。淋巴瘤细胞和T细胞的共培养表明,淋巴瘤细胞与T细胞发生代谢竞争,限制其产生效应细胞因子的能力。葡萄糖利用率降低可以通过竞争或改变凋亡敏感性来限制T细胞的效应功能[13]。低葡萄糖环境也诱导FOXP3表达,促进T细胞从效应T细胞向Treg的分化[14]。此外,癌细胞中加速的糖酵解代谢增加了肿瘤衍生的粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子( colony-stimulating factor,CSF)和巨噬细胞的生成,以促进骨髓间充质干细胞的浸润,从而进一步抑制效应T细胞功能[15]。

通过抑制糖酵解关键酶或使用竞争性葡萄糖类似物2-DG来减少癌细胞中的糖酵解代谢可能有效地抑制癌细胞增殖,并且现有研究已经证明其可以支持长期记忆CD8+T细胞的形成[16-17]。例如,Ho等发现过表达糖异生酶PCK1可以增强葡萄糖缺失的TME中T细胞的抗肿瘤反应[18],这项研究结果支持糖酵解中间产物在效应T细胞的增殖和功能中发挥重要作用。许多研究表明,包括PD-1、PD-L1和CTLA-4在内的免疫检查点通过部分抑制免疫细胞的代谢重编程和抑制糖酵解,同时增加脂肪分解和FAO而起作用[19-20]。这些数据揭示了细胞代谢和检查点阻断之间的明确联系,因此通过与代谢干预相结合以破坏癌症正常代谢可能为肿瘤的免疫治疗提供机会,提高检查点抑制剂在不同类型肿瘤中的疗效。

3 靶向乳酸代谢

缺氧条件下癌细胞糖酵解活性的增强会增加乳酸的积累,从而使TME酸化。肿瘤细胞的乳酸产量可增加40倍,而产生乳酸的乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase,LDH)与肿瘤大小和临床疾病严重程度呈正相关[21]。乳酸可以通过抑制T细胞增殖和IFN-y的产生来抑制效应T细胞功能,同时降低TME内的pH值,进一步促进免疫抑制。因此,中和TME中的低pH可能会对提高抗癌免疫治疗的疗效有意义。值得注意的是,在黑色素瘤模型中,口服碳酸氢盐缓冲TME与抗pd-1免疫治疗相结合时,可以抑制肿瘤生长[22]。最近研究发现,T细胞活化的V域Ig抑制因子(V-domain Ig suppressor of T cell activation,VISTA )与免疫检查点功能有关。VISTA可在酸性pH条件下选择性抑制T细胞,而且研究发现,针对VISTA或其受体PSGL-1的酸性pH选择性抗体可在体内逆转免疫抑制[23]。此外,共同阻断VISTA和PD-1可导致MC38肿瘤模型中的肿瘤排斥反应。

4 靶向氨基酸代谢

氨基酸为细胞代谢和生理学中的各种关键过程提供成分和底物。虽然每种氨基酸都有多种特定作用,但谷氨酰胺、精氨酸和色氨酸对调控肿瘤进展和免疫最为重要。

4.1 谷氨酰胺和谷氨酸

仅次于葡萄糖,谷氨酰胺是循环中最丰富的氨基酸,也是肿瘤细胞消耗最快的营养素。谷氨酰胺可以维持进行有氧糖酵解的癌细胞中的TCA含量,也可作为柠檬酸盐的来源用于还原羧化,促进脂质合成。此外,谷氨酰胺分解可抑制氧化应激并维持线粒体膜完整性,有助于增殖细胞的存活。谷氨酰胺酶(glutaminase,GLS)将谷氨酰胺转化为谷氨酸,目前正被研究用来抑制某些癌症的代谢。抑制GLS活性可导致氧化还原和线粒体应激[24]。

不同于葡萄糖、癌细胞和免疫细胞对谷氨酰胺代谢的利用不同,炎性抗肿瘤免疫细胞似乎不太依赖甚至不受这一代谢途径的限制。巨噬细胞亚群对谷氨酰胺的依赖性也存在内在差异。例如,M2巨噬细胞比初始巨噬细胞消耗更多的谷氨酰胺,而炎性M1巨噬细胞可以被谷氨酰胺水解所抑制[25]。在乳腺癌模型中,抑制谷氨酰胺代谢通过减少MDSC的募集从而抑制肿瘤生长,并促进其转化为炎性M1样巨噬细胞[26]。此外,通过抑制谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GLUL)来减少巨噬细胞内的谷氨酰胺,可促进其分化为M1样表型[27]。这些数据表明,抑制谷氨酰胺水解或减少细胞内谷氨酰胺合成可以抑制炎症抑制性髓系亚群,并为TAMs从M2样态向M1样态的转化提供了一个潜在靶点。

在效应T细胞激活过程中,谷氨酰胺代谢也会增加。研究发现,抑制谷氨酰胺可以改变Th1细胞的分化,并使CD4+ T细胞向Treg表型转变[28]。然而,通过靶向GLS阻断谷氨酰胺代谢,阻止谷氨酰胺依赖性谷氨酸的产生,可以引起T细胞中代谢重编程。虽然Th17细胞仍然依赖GLS,但Th1和细胞毒性T细胞通过上调糖酵解而变得不依赖GLS。研究发现,抗pd-1联合阻断谷氨酰胺代谢,在抑制肿瘤代谢的同时促进T细胞葡萄糖代谢、表观遗传重编程和细胞毒性功能,显著提高了抗肿瘤效应[29]。然而,在嵌合抗原受体(chimeric antigen receptor,CAR)-T细胞模型中进行测试时,GLS的基因缺失促进了效应因子分化,最终导致了T细胞效应因子功能的丧失[30]。这可能是因为末端T细胞效应分化或通过诱导和激活包括PD-1在内的抑制受体而潜在地抑制T细胞。总而言之,关于谷氨酰胺代谢的研究强调了癌细胞和炎症免疫细胞对其不同的依赖性,从而实现特异性靶向免疫细胞的免疫治疗。

4.2 精氨酸和一氧化氮

精氨酸在多种生物功能中发挥重要作用,包括癌症和免疫细胞的增殖、存活和蛋白质合成。精氨酸代谢主要依赖于一氧化氮合成酶(nitric oxide synthase,NOS)和精氨酸酶(argunase,ARG)酶家族的活性。由于精氨酸在肿瘤和免疫细胞中的双重作用,其在TME中的调节作用是复杂的。研究已经证明,在精氨酸依赖的癌症中,抑制精氨酸具有抗肿瘤作用。然而,许多癌细胞可以激活精氨酸-琥珀酸合成酶(arginine succinate synthetase,ASS1)途径,利用瓜氨酸合成精氨酸,以代偿精氨酸缺失[31]。尽管精氨酸缺失对某些类型的癌症有效,但精氨酸缺失也会通过增加MDSCs的积累和抑制T细胞功能对免疫应答产生负面影响。更具体地说,表达ARG的MDSCs在TME中导致精氨酸耗尽,从而抑制抗肿瘤T细胞应答[32]。研究发现,抑制ARG可以恢复精氨酸水平,改善T细胞功能并抑制肿瘤进展[33]。

另外,精氨酸通过NOS引起NO的释放,促进髓系细胞转化为炎性表型。巨噬细胞来源的NO诱导黏附分子VCAM-1在黑色素瘤异种移植物中的表达对T细胞外渗非常重要。此外,研究还发现浸润肿瘤的髓系细胞产生的NO对细胞毒性T细胞的激活很重要[34]。综上所述,这些研究表明,虽然ARG和NOS在免疫细胞调节中的机制有待进一步阐明,但靶向骨髓细胞中的ARG和NOS可能为癌症的免疫治疗提供潜在的可能性。

4.3 色氨酸和犬尿氨酸

与谷氨酰胺和精氨酸不同,色氨酸是一种必需氨基酸,必须从饮食中摄取。色氨酸还充当由限速酶吲哚胺-2,3-双加氧酶(indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO1)、IDO2和色氨酸-2,3-双加氧酶(tryptophan-2,3-dioxygenase,TDO)限制的犬尿氨酸途径的底物。在癌症中,IDO1和TDO过表达可能抑制抗肿瘤免疫。除了消耗色氨酸以外,犬尿氨酸在IDO阳性癌症中堆积,这与癌症患者的不良预后有关[35]。具体来说,IDO1活性的增加可抑制效应T细胞激活,抑制NK细胞功能,刺激Treg激活,并促进DC和MDSC的扩增和激活[36-37]。尽管这一临床前数据表明,抑制IDO或减少犬尿氨酸生成可能改善TME内的免疫功能,但IDO抑制剂单药临床试验在疗效上的表现令人失望[38]。

然而,IDO抑制剂与化疗、放疗或其他免疫治疗联合应用仍然可能对疗效有益。目前,IDO1抑制剂已被作为免疫细胞的代谢佐剂进行研究,正在许多癌症中与抗PD-1或抗CTLA-4联合进行评估。此前一项研究显示,IDO1抑制剂联合PD-1抗体提高了无法手术切除的3期和4期黑色素瘤患者的客观缓解率[39]。在小鼠肿瘤模型中,IDO抑制剂与抗肿瘤树突状细胞疫苗的联合应用诱导Treg转化为Th17细胞,从而增强CD8+T细胞抗肿瘤功能。这一领域仍存在争议,需要进行更多有效的临床前研究,以更好地确定IDO1抑制剂和TME中色氨酸代谢的调节是否对临床治疗有益。

5 靶向脂肪酸代谢

高度增殖的癌细胞可以增加外源性脂质的摄取或高度激活其合成途径。事实上,在包括食管癌在内的许多癌细胞中已经发现,参与脂质和胆固醇生物合成的酶表达上调[40]。过量的脂质和胆固醇储存在脂滴中,一定程度上提高了癌症的侵袭性。由于这些原因,FAS抑制剂,尤其是针对脂肪酸合酶(fatty acid synthase,FASN)的抑制剂,一直是癌症治疗的重点研究方向。同时,抑制癌细胞中的脂肪酸代谢也会对免疫细胞功能产生间接影响。在髓样细胞中,细胞内脂质的积累可增强氧化代谢并抑制免疫功能[41]。不饱和脂肪酸的存在诱导骨髓源性髓样细胞分化为免疫抑制性M2样TAM[42]。肿瘤浸润性树突状细胞(tumor infiltratingdendritic cells,TIDC)中的异常脂质积聚损害其抗原提呈[43]。在卵巢癌小鼠模型中,TIDCs从TME外源性积聚过量脂质,导致T细胞启动和激活不良[44]。因此,脂肪酸的积累对TME的免疫细胞群产生负面效应,并且,在小鼠肿瘤模型中靶向FAS或FAO降低脂质的含量是有益的。例如,乙酰辅酶a羧化酶(acetyl coA carboxylase,ACC)抑制剂TOFA对FAS的抑制,使树突状细胞中的脂质水平正常化,恢复其活性,并显著增强癌症疫苗的效果[43]。卵巢癌模型中FASN的抑制也部分恢复了TIDC功能[44]。

6 食管癌与免疫代谢

我国是食管癌高发国家,也是世界上食管癌新发病例最多的国家。食管癌是我国发病率及死亡率最高的恶性肿瘤之一,晚期食管癌患者的中位生存期不超过1 a。多年以来,尽管在食管癌的诊断、治疗及发病机制等方面的研究取得诸多进展,然而整体5 a生存率一直徘徊在20%～30%左右。目前无论是NCCN指南还是ESMO、CSCO指南,一线标准治疗方案仍然是以氟尿嘧啶和铂类为主的化疗,但是这些方案总体来看疗效不尽如人意。随着免疫治疗在各个癌种中抗肿瘤效应的不断突破,近几年来食管癌也迈入了免疫治疗的新时代。纵观现有研究的成果,不难发现仅有小部分患者能够从免疫治疗中获益,筛选目标人群及联合治疗将逐渐成为晚期食管癌的主要研究方向。目前研究发现,食管癌患者体内的氨基酸、糖酵解、脂质代谢、三羧酸循环等多条代谢途径均发生不同程度的紊乱。这为食管癌免疫治疗联合代谢调控提供了潜在的治疗靶点。如何通过靶向代谢改善肿瘤微环境,提高免疫治疗的作用,将是未来一个重要的研究方向。

7 应用生理培养基提高体外研究的临床相关性

虽然免疫代谢为增强癌症治疗疗效提供了大量机会,但TME临床前体外研究仍有不足,许多关键研究发现所依赖的组织培养条件已被人为改善以促进细胞生长,和体内生理学并不相符。经典的体外细胞培养条件依赖于基础培养基,如RPMI或DMEM,其中含有过量的营养物质,可改变所培养细胞的代谢,与人体代谢机制存在差异。近年来,人类类血浆培养基(human plasma like medium,HPLM)和类似的生理培养基已被开发出来,这些生理培养基更接近人类血浆中的营养和代谢水平。多项研究揭示了代谢表型和药物疗效在生理培养基与传统培养基中的显著差异。例如,与HPLM相比,用高浓度丙酮酸的传统培养基进行培养时,癌细胞的增殖对线粒体呼吸的依赖性较低,这表明其对二甲双胍的敏感性降低[45]。此外,在传统培养基中发现,过量的胱氨酸提高了癌细胞的谷氨酰胺消耗和依赖性[46]。在传统培养基中培养的细胞,高浓度的精氨酸会逆转尿素循环中精氨琥珀酸裂解酶催化的反应方向,而这一现象在生理培养基中并未观察到[47]。

8 未来展望

免疫代谢提供了一个新的研究领域,通过调控TME以改善癌症治疗。很明显,将代谢靶点与化疗或靶向干预(包括免疫检查点封锁)结合起来的方法在提高临床疗效方面具有巨大潜力。近年来,肿瘤代谢、免疫代谢和免疫治疗领域的研究进展越来越快。然而,如何在复杂TME中最好地利用这些策略仍然是不确定的。需要更好地还原生理条件,从而明确靶点、阐明机制,并优化代谢抑制剂,最大限度发挥其抗肿瘤作用。