T細胞免疫代謝調(diào)控與免疫檢查點抑制劑聯(lián)合應(yīng)用的現(xiàn)狀及研究進展

李 崴，張山嶺，陶英杰，王旭東

天津醫(yī)科大學腫瘤醫(yī)院頜面耳鼻喉腫瘤科，國家腫瘤臨床醫(yī)學研究中心，天津市“腫瘤防治”重點實驗室，天津市惡性腫瘤臨床醫(yī)學研究中心，天津 300060

在免疫檢查點抑制劑（immune checkpoint inhibitor，ICI）成功用于多種癌癥并帶來腫瘤治療領(lǐng)域的變革之前，手術(shù)、放療、化療和分子靶向治療幾乎是所有癌癥的主要治療方式［1］。既往對放療、化療及分子靶向治療效果和耐藥的研究主要集中在腫瘤細胞自身遺傳或突變的內(nèi)在因素上［2］，而很少關(guān)注腫瘤的外部因素，即腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment，TME）。TME主要由腫瘤細胞及其周圍的免疫細胞、炎癥細胞、腫瘤相關(guān)成纖維細胞、間質(zhì)組織、微血管、各種細胞因子和趨化因子構(gòu)成［3］。在實體瘤患者中，腫瘤免疫應(yīng)答表現(xiàn)不佳，主要是由于TME中存在一些抑制性信號，抑制效應(yīng)T細胞（effector T cell，Teff）的免疫功能［4］。抑制性信號包括腫瘤細胞產(chǎn)生的一系列免疫抑制性因子，如轉(zhuǎn)化生長因子β、白細胞介素（interleukin，IL）-10等，以及T細胞表面免疫抑制性分子如程序性死亡［蛋白］-1（programmed death-1，PD-1）、溶細胞性T淋巴細胞相關(guān)抗原4（cytolytic T lymphocyte-associated antigen-4，CTLA-4）等［5］。阻斷CTLA-4或PD-1均可解除對T細胞的抑制作用，產(chǎn)生持久的激活效應(yīng)，且毒性較低。靶向CTLA-4的伊匹單抗是第一個被批準用于癌癥臨床治療的ICI，PD-1/程序性死亡［蛋白］配體-1（programmed death ligand-1，PD-L1）單抗在肺癌、肝癌、結(jié)直腸癌等多種惡性腫瘤中療效顯著，使免疫療法逐漸成為癌癥治療的成熟手段［6-8］。但從大型臨床試驗及治療中可以清楚地看到，只有小部分患者對免疫治療產(chǎn)生應(yīng)答，仍存在大量無或低免疫應(yīng)答及復發(fā)患者。

研究［9］顯示，腫瘤細胞為維持龐大的合成代謝需求，采用與普通細胞代謝方式不同的有氧糖酵解方式，即Warburg效應(yīng)，該效應(yīng)消耗1分子葡萄糖，只產(chǎn)生2分子腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），效率低下，但反應(yīng)速度快，可為高速增殖的癌細胞提供必需的能量。癌細胞的高代謝和TME紊亂的脈管系統(tǒng)都可以導致營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，使癌細胞與浸潤的免疫細胞之間存在代謝競爭［10］。癌細胞的高代謝導致低氧和酸性TME，其代謝產(chǎn)物等都是造成免疫抑制的重要因素。因此，細胞代謝已成為癌細胞和免疫細胞維持生命力和功能的關(guān)鍵。通過對癌細胞和免疫細胞代謝的深入研究可以揭示兩者代謝的機制及異質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)可能的治療窗口并進行干預。通過聯(lián)合治療策略，提高ICI的臨床反應(yīng)。要實現(xiàn)這一目標首先要了解T細胞參與癌癥免疫應(yīng)答的過程中，不同細胞亞群的分化與代謝方式的關(guān)系；其次需要了解這些代謝方式在TME中及ICI應(yīng)用后如何受到干擾；最后再嘗試通過不同的代謝干預措施來增強ICI抗腫瘤免疫反應(yīng)，從而找到有望應(yīng)用到腫瘤臨床治療的ICI聯(lián)合治療方案。

1 T細胞增殖分化過程中的代謝方式

T細胞是介導抗腫瘤免疫的核心［11-12］。其抗腫瘤免疫反應(yīng)依賴于CD4+和CD8+T細胞與腫瘤抗原的相互作用。接受抗原刺激后的T細胞在增殖分化過程中，必須保持基本營養(yǎng)物質(zhì)供給和能量需求之間的平衡。不同T細胞亞群采用相應(yīng)的代謝途徑如糖酵解、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）和脂肪酸氧化（fatty acid oxidation，F(xiàn)AO），以適應(yīng)TME的營養(yǎng)物質(zhì)水平及能量需求［13］。而這些代謝途徑反過來不僅可以控制T細胞激活和效應(yīng)功能，也決定T細胞的分化方向。幼稚或靜息的T細胞主要依賴OXPHOS途徑生成ATP。一旦T細胞激活，代謝方式就切換到糖酵解、谷氨酰胺和支鏈氨基酸的分解代謝，導致葡萄糖和氨基酸的攝取增加［14］。激活的T細胞也會增加對脂肪酸的攝取，但抑制FAO并促進脂類合成，OXPHOS也相應(yīng)增加［15］。除了增強糖酵解外，磷酸戊糖途徑也會增強葡萄糖代謝，再加上谷氨酰胺分解，共同促進基本生物分子合成代謝［16-17］。這些代謝變化是由T細胞受體和CD28，以及細胞因子受體激活的下游信號通路如磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）調(diào)控的。mTOR是T細胞分化的關(guān)鍵調(diào)控因子，由兩種不同的復合物mTORC1和mTORC2組成，協(xié)調(diào)細胞對營養(yǎng)水平和能量狀態(tài)變化的反應(yīng)［18］。mTOR誘導轉(zhuǎn)錄因子缺氧誘導因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）和c-Myc表達，而HIF-1α和c-Myc都負反饋調(diào)控mTOR復合物。C-Myc促進有氧糖酵解和谷氨酰胺分解代謝酶的表達，并微調(diào)這些代謝途徑來進行生物合成脂類、氨基酸和核酸［19］。HIF-1α介導T細胞對氧氣水平的反應(yīng)也會促進葡萄糖的攝取和分解［20］，并合成Teff分泌的細胞因子，有利于Teff的有效激活和克隆增殖。同時通過調(diào)節(jié)脂類代謝基因表達抑制調(diào)節(jié)性T細胞（regulatory T cell，Treg）的分化和功能［21］。當抗原被清除后，一部分Teff分化成持續(xù)存在的記憶性T細胞（memory T cell，Tmem），代謝方式也由糖酵解轉(zhuǎn)變?yōu)镺XPHOS介導的分解代謝［22］。

2 TME和ICI對T細胞代謝的影響

癌細胞為營養(yǎng)物質(zhì)的攝取創(chuàng)造了一個葡萄糖、脂質(zhì)、氨基酸及氧氣均有限的TME。mTOR和磷酸腺苷活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）分別調(diào)控T細胞合成和分解代謝［23］。當營養(yǎng)物質(zhì)和能量充分時，mTOR被激活并誘導以糖酵解為基礎(chǔ)的合成代謝反應(yīng)［24］。而當營養(yǎng)物質(zhì)和能量匱乏時，AMPK途徑激活并抑制mTOR，誘導細胞代謝轉(zhuǎn)為以線粒體OXPHOS和FAO為基礎(chǔ)的分解代謝［25］，但mTOR和AMPK之間相互作用的機制尚不明確。Warburg效應(yīng)使癌細胞消耗葡萄糖并增加乳酸，乳酸可以抑制PI3K/Akt/mTOR通路，從而抑制T細胞糖酵解并增強FAO［26］。因為Teff通過糖酵解獲得能量，而Treg則依靠FAO，因此該過程抑制幼稚T細胞向Teff的分化，并促進CD8+腫瘤浸潤淋巴細胞凋亡。乳酸還可以通過乳酸脫氫酶B生成丙酮酸和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NADH），導致丙酮酸生成不平衡和NADH/煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD）比例升高，通過阻礙有氧糖酵解，減弱T細胞增殖和效應(yīng)功能［27］。

此外，腫瘤細胞的特殊生化代謝產(chǎn)物也會抑制腫瘤浸潤淋巴細胞的功能。色氨酸可以激活T細胞并促進其增殖。癌細胞通過吲哚胺-2,3-雙加氧酶（indoleamine 2,3-dioxygenase，IDO）和色氨酸-2,3-雙加氧酶（tryptophan-2,3-dioxygenase，TDO）將色氨酸代謝為犬尿氨酸（kynurenine，KYN）［28］，KYN可抑制Teff活性［29］。KYN結(jié)合于芳香烴受體，激活細胞質(zhì)中的轉(zhuǎn)錄因子［30］并誘導CD4+T細胞轉(zhuǎn)化為Foxp3+Treg［31］。KYN也可誘導腫瘤浸潤淋巴細胞活性氧（reactive oxygen species，ROS）產(chǎn)生，抑制IL-2信號通路并削弱Tmem的功能［32］。T細胞激活后，可消耗L-精氨酸進行合成代謝并快速增殖。精氨酸是蛋白質(zhì)合成的基本氨基酸，提高精氨酸水平可誘導全面代謝變化，由糖酵解向OXPHOS轉(zhuǎn)變，維持Tmem的生存［33］。在TME中，骨髓來源的抑制細胞（myeloid-derived suppressor cell，MDSC）分泌精氨酸酶，降解精氨酸，導致T細胞缺乏精氨酸［34］。靶向精氨酸酶或補充L-精氨酸可提高ICI治療效果［35-37］。另一種具有免疫抑制作用的代謝產(chǎn)物是腺苷，由具有酶活性的CD38、CD39和CD73產(chǎn)生［38］。腺苷通過結(jié)合A2A受體產(chǎn)生環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP），cAMP激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA），PKA介導Akt抑制信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子5（signal transducer and activator of transcription 5，STAT5）磷酸化，抑制T細胞功能［39-40］。另外，PKA使轉(zhuǎn)錄因子cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMP response element-binding protein，CREB）磷酸化，誘導Treg產(chǎn)生［41］。因為瘤細胞、巨噬細胞高表達CD38、CD39和CD73，因此TME富含腺苷，維持了TME的抑制性。前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）是一種小分子脂質(zhì)介質(zhì)，由花生四烯酸通過環(huán)氧合酶（cyclooxygenase，COX）-2和微粒體前列腺素E合酶（microsomal prostaglandin E synthase，mPGES）-1合成。PGE2抑制Th1分化、B細胞功能和T細胞活化［42-43］。PGE2通過兩種機制抑制T細胞的增殖：抑制IL-2的產(chǎn)生以及通過cAMP信號途徑下調(diào)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體水平［44］。

最新證據(jù)表明，ICI也影響T細胞的代謝，PD-1/PD-L1配對后PD-1分子細胞內(nèi)區(qū)招募磷酸酶SHP-2，使TCR和CD28下游信號去磷酸化［45］，抑制TCR信號通路介導的T細胞激活。PD-1信號通路也影響線粒體超微結(jié)構(gòu)，降低Mic19和Mic14這兩種重要的構(gòu)成線粒體嵴組織蛋白的表達，減少T細胞線粒體嵴生成，減弱其去極化，導致線粒體功能障礙［47］。PD-1/PD-L1結(jié)合，使T細胞代謝重編程，增強內(nèi)源性脂質(zhì)的FAO限速酶基因肉毒堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶1A（carnitine palmitoyltransferase 1A，CPT1A）的表達，增強FAO，削弱T細胞的糖酵解、谷氨酰胺分解和支鏈氨基酸代謝，抑制T細胞活化所需的能量和物質(zhì)合成［46］，但可拯救Teff由糖酵解引起的快速死亡和細胞終末分化，將代謝平衡向以脂肪為基礎(chǔ)的代謝模式傾斜，使T細胞壽命得以延長。因此，阻斷PD-1信號最終會觸發(fā)Teff糖酵解，導致其終末分化，通過細胞凋亡造成克隆缺失［48］，結(jié)果Teff的可用性減少。這很可能是抗PD-1單抗單藥治療過程中，部分患者最初有反應(yīng)，但后來無反應(yīng)的原因。

3 調(diào)節(jié)細胞代謝聯(lián)合ICI抗腫瘤免疫治療的探索

3.1 AMPK/mTOR

AMPK和mTOR之間的平衡調(diào)節(jié)T細胞命運。Teff依賴mTOR通路，而Tmem更依賴AMPK。治療2型糖尿病的二甲雙胍具有抗癌作用，二甲雙胍使pAMPK的水平升高，mTOR下游蛋白pS6水平下降，延長Tmem壽命。mTOR抑制劑雷帕霉素可增強PD-L1單抗對口腔癌細胞系MOC1的抑制作用，擴增腫瘤浸潤Tmem，增強干擾素-γ分泌，促進瘤細胞主要組織相容性復合體-Ⅰ（major histocompatibility complex-Ⅰ，MHC-Ⅰ）類分子表達。Ⅴistusetib（AZD2014）是mTORC1/2雙激酶抑制劑，可促進Th1分化，增強Tmem功能和壽命。與CTLA-4、PD-1、PD-L1單抗聯(lián)合應(yīng)用，可抑制腫瘤浸潤淋巴細胞的功能耗竭，延長MC-38和CT-26移植瘤動物的生存期［49］。另一種mTOR抑制劑依維莫司可上調(diào)腎癌細胞系PD-L1的表達，與PD-L1單抗聯(lián)合應(yīng)用，可抑制動物模型中腎癌細胞系786-O和RENCA的生長。TWS119是糖原合酶激酶-3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）的類似物，可上調(diào)Wnt/β-catenin信號通路，從而抑制mTOR信號，誘導干細胞樣Tmem分化，并促進FAO，增強PD-L1單抗的抗腫瘤作用［50］。

3.2 FAO

脂肪酸生物合成及FAO與T細胞分化密切相關(guān)。Teff增強脂類生物合成，而Tmem降低脂類合成，增強FAO。苯扎貝特是PPAR-1α激動劑，促進PGC-1α、Cpt1α和LCAD表達，增強FAO和腫瘤浸潤淋巴細胞的ROS，維持其功能，與PD-L1單抗聯(lián)用對肺癌具有明顯的抑制作用［51］。GW501516是PPARα和PPARδ/β激動劑，在CD8+T細胞過繼免疫治療中，可增強其CPT1α表達，促進FAO，促進Teff分化，與PD-1單抗聯(lián)用對黑色素瘤動物模型具有顯著療效［52］。

3.3 IDO/TDO

干擾素-γ誘導IDO1的上調(diào)和TDO的腫瘤異位表達，使色氨酸分解代謝產(chǎn)物KYN升高，介導免疫抑制。BGB-5777是IDO1抑制劑，通過拮抗IDO1，抑制色氨酸分解代謝，從而減少KYN的產(chǎn)生，增強Teff功能。與PD-1單抗聯(lián)合可持續(xù)提升進展期膠質(zhì)母細胞瘤患者的生存獲益［53］。PEG-KYNase是一種藥物分解酶，可將KYN降解為免疫惰性、無毒、易清除的代謝產(chǎn)物，逆轉(zhuǎn)IDO1/TDO上調(diào)的免疫抑制作用，抑制腫瘤生長。在小鼠移植瘤模型中，PEG-KYNase與PD-L1聯(lián)合治療B16-F10黑色素瘤、4T1乳腺癌及CT26結(jié)腸癌效果顯著［54］。

3.4 精氨酸

L-精氨酸可以促進免疫細胞功能，特別是T細胞的增殖、分化和體內(nèi)活性。He等［37］建立了帶有原位和轉(zhuǎn)移性骨肉瘤的BALB/c小鼠移植瘤模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，L-精氨酸顯著升高小鼠脾臟CD8+T細胞數(shù)量、血清干擾素-γ水平，與PD-L1單抗聯(lián)用保護擴增的CD8+T細胞免于耗竭，并加強這些T細胞分泌干擾素-γ、顆粒酶B和穿孔素的能力。這種聯(lián)合治療策略可顯著延長骨肉瘤小鼠的生存時間，提示補充L-精氨酸結(jié)合PD-L1單抗可能是治療骨肉瘤患者的一種有效方法。CB-1158是精氨酸酶抑制劑。Steggerda等［35］研究發(fā)現(xiàn)，CB-1158可緩解MDSC在體內(nèi)外對T細胞增殖的抑制，與ICI聯(lián)用可提高腫瘤浸潤CD8+T細胞和自然殺傷（natural killer，NK）細胞數(shù)量，以及炎性細胞因子、干擾素誘導的基因表達如INFA1、ISG15、USP18、IRF5等，對腫瘤細胞系CT26、B16、4T1體內(nèi)外模型具有明顯的殺傷效果。

3.5 腺苷

腺苷由CD39和CD73活性胞外酶產(chǎn)生，參與TME的免疫抑制。為了阻斷腺苷途徑，Perrot等［55］制備了IPH5201和IPH5301兩種抗體，分別靶向人細胞膜表面和可溶性CD39和CD73，并有效地阻斷ATP水解為腺苷，這些抗體通過刺激樹突狀細胞、巨噬細胞及腫瘤特異性T細胞，促進抗腫瘤免疫，將CD39敲入小鼠模型中，IPH5201可增加ATP誘導化療藥物奧沙利鉑的抗腫瘤活性。CPI-444和PBF509是一種有效的、選擇性的A2A受體拮抗劑［56-57］。用二者阻斷A2A受體可以恢復T細胞由腺苷引起的信號轉(zhuǎn)導抑制，促進IL-2和干擾素-γ的產(chǎn)生。體外研究［56］發(fā)現(xiàn)，CPI-444聯(lián)合PD-L1單抗或CTLA-4單抗可消除高達90%的小鼠腫瘤，包括恢復對PD-L1單抗或CTLA-4單抗單藥治療的不完全免疫應(yīng)答，腫瘤痊愈的小鼠再次接種腫瘤后，生長完全受到抑制，表明CPI-444和PBF509可抑制CD8+Tmem的免疫刪除，延長其壽命。

3.6 COX

黃酮類化合物melafolone和asprin均是COX-2的抑制劑。通過抑制COX-2，抑制PGE2生成，從而抑制腫瘤細胞分泌腫瘤壞死因子-β、血管內(nèi)皮生長因子，下調(diào)其表達PD-L1，抑制下游PI3K/Akt活性，有助于激活Teff，增加顆粒酶B、IL-2、干擾素-γ分泌。與PD-L1單抗聯(lián)用可增強對肺癌、黑色素瘤細胞的殺傷作用［58-59］。

3.7 線粒體解偶聯(lián)/ROS生成

Chamoto等［60］研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠PD-1單抗治療模型中，引流淋巴結(jié)中腫瘤特異性CD8+T細胞存在更多的線粒體和ROS。Teff和Tmem的ROS與PD-1單抗對瘤細胞具有協(xié)同抑制作用。羰基-氰-對-三氟甲氧基苯肼是線粒體解耦聯(lián)劑，可降低T細胞線粒體膜電位，Luperox是H2O2前體，二者均可促進ROS生成，激活PGC-1α及下游信號，增強Teff功能［60］。

3.8 糖酵解/谷氨酰胺

Sukumar等［61］研究發(fā)現(xiàn)，激活的CD8+T細胞應(yīng)用糖酵解抑制劑2-脫氧葡萄糖，可提高Teff生成。Leone等［62］研究指出，谷氨酰胺拮抗劑6-diazo-5-oxo-L-norleucine可抑制瘤細胞OXPHOS和糖酵解，提高TME氧含量，降低酸性，并提高Teff OXPHOS代謝，促進Teff分化。二者與PD-1單抗聯(lián)用可提高T細胞抗腫瘤活性。

4 總結(jié)

隨著ICI被廣泛應(yīng)用于多種實體瘤免疫治療中，低應(yīng)答率機制及可能的改善方案是亟待解決的問題。癌細胞通過其代謝方式形成免疫抑制性的TME，導致T細胞代謝失衡，造成其功能障礙或耗竭，有利于癌細胞的生存。通過調(diào)控代謝方式可以幫助T細胞建立新的代謝平衡并克服功能障礙。本文總結(jié)了免疫代謝對T細胞的分化，腫瘤免疫監(jiān)視和免疫抑制的調(diào)節(jié)機制，以及聯(lián)合調(diào)節(jié)細胞代謝藥物和ICI在癌癥免疫治療中的作用。深入研究腫瘤和T細胞代謝方式和精確調(diào)控途徑，并以此為靶點，能夠提高抗腫瘤治療的持續(xù)性和有效性，并提高以免疫治療為基礎(chǔ)的抗腫瘤治療的適用性和療效。