腫瘤浸潤性T細(xì)胞代謝重組及功能的研究進(jìn)展

蔣超，姜潤秋

(南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210093)

腫瘤微環(huán)境主要由腫瘤細(xì)胞，周圍的免疫細(xì)胞和炎癥細(xì)胞，腫瘤相關(guān)的成纖維細(xì)胞以及附近的間質(zhì)組織和各種細(xì)胞因子、趨化因子等構(gòu)成，其與腫瘤的發(fā)生、生長及轉(zhuǎn)移有著密切的聯(lián)系[1-2]。在腫瘤微環(huán)境中，腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞均可以通過代謝重組以適應(yīng)低氧、酸性和低營養(yǎng)的微環(huán)境[3]。癌細(xì)胞本身的代謝旺盛導(dǎo)致腫瘤局部的營養(yǎng)缺乏，代謝產(chǎn)物積累。代謝物是除蛋白(如細(xì)胞及趨化因子)和核酸外，腫瘤細(xì)胞直接調(diào)控免疫細(xì)胞的另外一類物質(zhì)，腫瘤通過代謝物的重構(gòu)影響免疫細(xì)胞的代謝和正常的生理功能。

腫瘤浸潤性淋巴細(xì)胞(tumor infiltrating lymphocytes，TILs)指離開血液并遷移到腫瘤區(qū)域的淋巴細(xì)胞，在癌癥的早期階段，免疫系統(tǒng)通過動(dòng)員免疫細(xì)胞來攻擊腫瘤。淋巴細(xì)胞具有識(shí)別和攻擊腫瘤的能力，在所有的腫瘤浸潤性免疫細(xì)胞中，腫瘤對于T細(xì)胞代謝及功能的調(diào)控最引人關(guān)注。因此，全面了解腫瘤免疫微環(huán)境，從而指導(dǎo)個(gè)體化免疫治療，成為當(dāng)下腫瘤免疫治療的研究熱點(diǎn)。

1 腫瘤浸潤性T細(xì)胞的代謝重組

在過去的十年中，抗腫瘤免疫治療為臨床治療癌癥提供了可能性。然而，大多數(shù)患者并沒有從免疫治療中獲益，可能是由于腫瘤微環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)以及免疫細(xì)胞代謝產(chǎn)物均可調(diào)控周圍細(xì)胞的命運(yùn)。此外，負(fù)性免疫檢查點(diǎn)分子經(jīng)常被腫瘤細(xì)胞利用來逃避免疫監(jiān)視。目前，調(diào)控腫瘤環(huán)境中免疫細(xì)胞的代謝途徑已成為腫瘤研究的熱點(diǎn)之一[4-5]。

腫瘤浸潤性T細(xì)胞因處于靜止?fàn)顟B(tài)、激活狀態(tài)下，其對能量的利用不同，而呈現(xiàn)出代謝模式的差異。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體具有許多重要的細(xì)胞功能，包括氧化磷酸化與電子傳輸、活性氧的調(diào)控。線粒體通過生物發(fā)生、降解、高度動(dòng)態(tài)的裂變和融合事件的平衡來維持上述各種功能，這些取決于腫瘤微環(huán)境和免疫細(xì)胞的需要[6-7]。T細(xì)胞必須精確地調(diào)節(jié)線粒體數(shù)量和功能，才能使T細(xì)胞氧化代謝過渡到糖酵解代謝的效應(yīng)狀態(tài)。體外實(shí)驗(yàn)和小鼠模型研究表明，效應(yīng)T細(xì)胞中普遍存在點(diǎn)狀線粒體，記憶T細(xì)胞線粒體內(nèi)膜蛋白結(jié)構(gòu)和融合改變形態(tài)有利于氧化磷酸化[6，8]。在腫瘤微環(huán)境中，不同的代謝模式和營養(yǎng)感應(yīng)機(jī)制共同調(diào)控免疫細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)的反應(yīng)。

此外，腫瘤微環(huán)境中的非惡性細(xì)胞通過刺激和促進(jìn)腫瘤細(xì)胞，在癌變的各個(gè)階段發(fā)揮重要作用。腫瘤細(xì)胞的代謝失調(diào)將會(huì)進(jìn)一步影響其細(xì)胞表面標(biāo)志物的表達(dá)，從而干擾免疫監(jiān)視。在腫瘤內(nèi)部，免疫細(xì)胞為了履行其必要職能須在新陳代謝上適應(yīng)這些微環(huán)境的變化[9-11]。深入了解腫瘤細(xì)胞和浸潤性T細(xì)胞的代謝重組，闡明浸潤性T細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞代謝之間相互作用，將為后續(xù)開展腫瘤治療提供理論依據(jù)。

1.1 腫瘤浸潤T細(xì)胞的氨基酸代謝

氨基酸是蛋白質(zhì)生物合成的基本組成部分，并參與其他代謝過程，同時(shí)，氨基酸代謝參與了T細(xì)胞活化過程。最新研究發(fā)現(xiàn)，谷氨酰胺激活CD38誘導(dǎo)T細(xì)胞活化，谷氨酰胺的消耗會(huì)阻礙細(xì)胞增殖和細(xì)胞因子的產(chǎn)生，T細(xì)胞激活誘導(dǎo)谷氨酰胺攝入大量增加，而且這種增加依賴于CD38[12-14]。以上研究結(jié)果表明，氨基酸在T細(xì)胞中的生物學(xué)功能可能成為今后免疫調(diào)節(jié)的新靶點(diǎn)。

有報(bào)道發(fā)現(xiàn)[15]，T細(xì)胞活化后L-精氨酸代謝通路活化，同時(shí)參與其代謝的精氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及精氨酸酶2等都顯著上調(diào)。細(xì)胞內(nèi)L-精氨酸水平的增加可誘導(dǎo)活化的T細(xì)胞從糖酵解向線粒體氧化磷酸化的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而促進(jìn)T細(xì)胞的存活和增強(qiáng)記憶性T細(xì)胞數(shù)量。此外，在小鼠體內(nèi)補(bǔ)充L-精氨酸，可以顯著增加腫瘤浸潤C(jī)D8+T細(xì)胞的存活能力，進(jìn)而提高小鼠的抗腫瘤活性。Bian等[16]研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞攝取蛋氨酸的能力顯著勝過T細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞通過改變蛋氨酸水平進(jìn)而損害CD8+T細(xì)胞功能，由此導(dǎo)致T細(xì)胞功能受損。通過蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞通過限制蛋氨酸減少甲基供體，進(jìn)而影響CD8+T細(xì)胞中組蛋白H3K79的甲基化程度以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[17]。以上這些研究提示，腫瘤微環(huán)境中氨基酸水平影響腫瘤細(xì)胞及激活的T細(xì)胞自身功能的發(fā)揮，因此，在研發(fā)腫瘤免疫治療藥物時(shí)，不能單純靶向腫瘤微環(huán)境中的部分氨基酸代謝，這可能在殺傷腫瘤的同時(shí)抑制了T細(xì)胞的免疫功能。

1.2 腫瘤浸潤T細(xì)胞的葡萄糖代謝

葡萄糖是腫瘤細(xì)胞最為依賴的營養(yǎng)物質(zhì)，也是T細(xì)胞活化以及發(fā)揮功能所必需的重要能源物質(zhì)[18]。腫瘤浸潤T細(xì)胞中的有氧糖酵解代謝不僅是細(xì)胞能量所必需的，還有助于機(jī)體合成中間產(chǎn)物和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。然而，啟動(dòng)T細(xì)胞有氧糖酵解的信號目前尚不清楚。Chang等[19]發(fā)現(xiàn)，在腫瘤微環(huán)境中，細(xì)胞通過競爭性攝取葡萄糖進(jìn)而抑制腫瘤浸潤T細(xì)胞的功能，即使在足夠的腫瘤抗原供T細(xì)胞識(shí)別的情況下也是如此，腫瘤細(xì)胞對葡萄糖的大量攝取會(huì)影響T細(xì)胞的代謝模式進(jìn)而抑制T細(xì)胞的雷帕霉素靶蛋白活性、糖酵解能力。

雖然人們幾十年前就知道淋巴細(xì)胞在活化過程中進(jìn)行有氧糖酵解，但直到最近才清楚哪些信號可能啟動(dòng)或維持這種代謝。有氧糖酵解是活化T細(xì)胞的代謝特征，與增強(qiáng)效應(yīng)T細(xì)胞應(yīng)答有關(guān)。在活化的T細(xì)胞中，乳酸脫氫酶A經(jīng)誘導(dǎo)進(jìn)行有氧糖酵解，其通過維持高濃度的乙酰輔酶A增強(qiáng)組蛋白乙?；＿@些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步揭示了需氧糖酵解促進(jìn)效應(yīng)T細(xì)胞分化的表觀遺傳機(jī)制，并提示乳酸脫氫酶A可能是治療自身炎癥性疾病的靶點(diǎn)[20-21]。最近研究發(fā)現(xiàn)，在制備CD4+T細(xì)胞特異性脂聯(lián)素及其受體條件缺陷小鼠過程中，脂聯(lián)素受體1(adiponectin receptor 1，AdipoR1)在體外促進(jìn)Th17細(xì)胞分化和誘導(dǎo)關(guān)節(jié)發(fā)育。此外，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，AdipoR1缺陷T細(xì)胞通過抑制T細(xì)胞中HIF-1α依賴的糖酵解降低Th17分化[22-24]?？傊?，這些研究發(fā)現(xiàn)了新的T細(xì)胞功能性的代謝檢查點(diǎn)，腫瘤微環(huán)境中的浸潤T細(xì)胞可以通過代謝重組發(fā)揮免疫應(yīng)答，為腫瘤免疫治療提供了一條研究思路。

1.3 腫瘤浸潤T細(xì)胞與脂質(zhì)代謝

最新研究發(fā)現(xiàn)[25-26]，腫瘤微環(huán)境中的脂質(zhì)可招募周圍的巨噬細(xì)胞浸潤腫瘤組織，并抑制效應(yīng)T細(xì)胞對腫瘤的攻擊，同時(shí)，脂質(zhì)代謝過程中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)影響癌癥的進(jìn)展、治療、復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。腫瘤細(xì)胞在增殖過程中，其周圍的脂肪組織可以釋放激素、炎癥因子等協(xié)同促進(jìn)腫瘤的炎癥環(huán)境。膽固醇是細(xì)胞膜表面的重要組成部分，細(xì)胞快速增殖需要大量的膜結(jié)構(gòu)以及膽固醇合成。Yang等[27]發(fā)現(xiàn)，T細(xì)胞代謝通路中的膽固醇酯化酶ACAT1是調(diào)控腫瘤免疫應(yīng)答的代謝檢查點(diǎn)，抑制其活性可以大大增強(qiáng)CD8+T細(xì)胞的腫瘤殺傷能力。ACAT1經(jīng)抑制后，殺傷性T細(xì)胞膜上的游離膽固醇水平提高，進(jìn)而使得T細(xì)胞腫瘤抗原免疫應(yīng)答變得更加高效。同時(shí)，該研究提出了一種基于膽固醇代謝調(diào)控的腫瘤免疫治療新方法，開辟了腫瘤免疫治療的一個(gè)全新領(lǐng)域。從中可發(fā)現(xiàn)，基于現(xiàn)有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控的腫瘤免疫治療的手段只對部分患者有效，因此急需發(fā)展新的方法讓更多的患者受益。

研究發(fā)現(xiàn)，T細(xì)胞浸潤及其功能對于減緩腫瘤的生長和進(jìn)展至關(guān)重要，而脂肪酸β-氧化和酮體代謝之間的平衡取決于缺氧的程度[28-29]。與CD4+T細(xì)胞亞型最相關(guān)的免疫抑制細(xì)胞是調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cells,Tregs)，它抑制其他免疫細(xì)胞的活性，并且在腫瘤細(xì)胞的免疫逃逸中起重要作用。該亞群表達(dá)叉頭狀轉(zhuǎn)錄因子p3(forkhead boxp3，F(xiàn)oxp3)，它是Tregs發(fā)育和功能的主要調(diào)節(jié)因子，可以提高脂肪酸的攝取，F(xiàn)oxp3增強(qiáng)Tregs對脂毒性環(huán)境的抵抗力。

新興研究已經(jīng)開始評估代謝激活的腫瘤免疫細(xì)胞，這些細(xì)胞將會(huì)處理脂肪細(xì)胞中高脂質(zhì)負(fù)荷[29-30]。因此，靶向腫瘤周圍脂肪細(xì)胞以及脂質(zhì)代謝通路成為近年來藥物設(shè)計(jì)的新思路[31-32]。

2 腫瘤微環(huán)境中代謝紊亂對腫瘤浸潤性T細(xì)胞功能的影響

研究發(fā)現(xiàn)，癌細(xì)胞代謝釋放競爭性代謝物(R)-2-羥基戊二酸酯影響T細(xì)胞浸潤。該代謝物通過抑制表觀遺傳的雙加氧酶，進(jìn)而影響CD4+和CD8+T細(xì)胞的受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而調(diào)控T細(xì)胞增殖。腫瘤微環(huán)境中K+含量增加，也會(huì)限制腫瘤浸潤T細(xì)胞效應(yīng)功能。腫瘤微環(huán)境內(nèi)因乙酰輔酶A胞質(zhì)水平下調(diào)，引起誘導(dǎo)活化T細(xì)胞的表觀遺傳重塑，進(jìn)而導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境中腫瘤浸潤性T細(xì)胞功能異常[33-34]。這些現(xiàn)象表明，高鉀濃度的短期效應(yīng)T細(xì)胞在離體刺激后產(chǎn)生的腫瘤浸潤性T細(xì)胞具有更高的體內(nèi)持久性、多能性和腫瘤清除能力。研究發(fā)現(xiàn)[35-36]，在腫瘤微環(huán)境中葡萄糖和精氨酸的缺乏，將會(huì)嚴(yán)重限制腫瘤浸潤T細(xì)胞的新陳代謝，進(jìn)而限制M1型巨噬細(xì)胞的功能。據(jù)報(bào)道[37]，胰腺星狀細(xì)胞可為腫瘤細(xì)胞提供丙氨酸，有學(xué)者也發(fā)現(xiàn)[38]，骨髓基質(zhì)細(xì)胞能夠提供半胱氨酸，以促進(jìn)慢性淋巴細(xì)胞性白血病細(xì)胞的存活。因此通過腫瘤壞死和腫瘤微環(huán)境固有的代謝活性產(chǎn)生T細(xì)胞抑制性代謝產(chǎn)物，是腫瘤細(xì)胞逃避T細(xì)胞免疫監(jiān)控的重要機(jī)制，上述研究說明了腫瘤微環(huán)境中代謝紊亂對腫瘤浸潤性T細(xì)胞功能的影響。

3 結(jié)論與展望

近年來，腫瘤細(xì)胞與T細(xì)胞對葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和其他代謝物的攝取，仍是影響T細(xì)胞功能發(fā)揮的重要因素，因此，今后可以通過多種不同的策略提高免疫治療的療效，以明確腫瘤和免疫細(xì)胞代謝重組之間的關(guān)系。這些策略主要包括針對腫瘤代謝方案抑制生長和改變腫瘤微環(huán)境，腫瘤浸潤T細(xì)胞代謝的體外藥理學(xué)以及遺傳重編程等，都將可能為細(xì)胞治療提供一種新的途徑。