肿瘤微环境之免疫与代谢

肿瘤微环境

肿瘤细胞、非肿瘤细胞（免疫细胞）、非细胞成分

细胞代谢：肿瘤细胞影响免疫细胞；免疫细胞影响肿瘤细胞。
肿瘤细胞代谢：糖、脂、氨基酸

葡代谢对免疫细胞的影响
  线粒体氧化磷酸化：葡萄糖-丙酮酸-线粒体三羧酸循环（TCA）-ATP；
糖酵解：葡萄糖-丙酮酸-乳酸（Warburg效应），中间产物葡萄糖-6-磷酸通过磷酸戊糖途径（PPP）合成生物大分子及还原当量。糖酵解活性的增强可以促进粒细胞/粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子的表达，招募MDSC。糖酵解是低效的供能方式，消耗大量葡萄糖，会显著影响免疫细胞的抗肿瘤免疫应答：抑制TIL增值、抑制mTOR活性、抑制IFN-γ产生；会产生大量乳酸、CO2等代谢产物，导致TME乳酸堆积和酸化，进一步给浸润的免疫细胞施加代谢压力：

• 阻碍细胞毒性T淋巴细胞（CTL）和自然杀伤细胞（NK）的乳酸胞外转运，影响增值和细胞因子分泌，导致杀伤功能受损；
• 通过酸性降解IFN-γ减弱初始T细胞向抑癌型的Th1细胞分化，而促进向促癌型的Th2细胞分化，并能促进随系来源的免疫细胞（MDSC、TAM）向促肿瘤表型分化与增值，导致免疫逃逸。

免疫治疗：己糖激酶（HK）糖酵解第一个限速酶，靶向HK2抑制剂（2-脱氧葡萄糖、3-溴丙酮酸），能增加记忆T细胞数量，提高肿瘤组织中TIL数量以及杀伤活力，还能抑制MDSC体外增值；靶向乳酸脱氢酶A（LDHA）抑制荷瘤鼠的生长，并能显著增强自体TIL的体外杀伤能力；靶向乳酸转运蛋白抑制剂AZD3965可以提高T细胞介导的抗肿瘤反应。

脂代谢对免疫细胞的影响
  脂肪酸从头合成：TCA循环中间产物柠檬酸-ATP柠檬酸裂解酶（ACLY）裂解生成乙酰辅酶A-乙酰辅酶A羧化酶（ACC）催化合成丙二酰辅酶A-与乙酰辅酶A通过脂肪酸合酶（FASN）合成16碳饱和脂肪酸棕榈酸-脂肪酸。
脂肪酸：肿瘤细胞中FASN、ACC、ACLY明显上调。TME中脂肪酸含量的增加有利于Treg的产生，发挥免疫抑制功能；诱导髓样细胞向免疫抑制和抗炎表型转化。M1型巨噬细胞中脂肪酸合成占据主导地位，M2型巨噬细胞依赖脂肪酸β氧化（FAO）供能。
胆固醇：抑制巨噬细胞胆固醇合成可以诱导Ⅰ型干扰素反应，启动抗病毒免疫反应；抑制巨噬细胞胆固醇分泌可以促进M2向M1转化，增强杀伤功能。ACAT1是CD8+T细胞中合成胆固醇酯的酶，敲除ACAT1可以提高CD8+T细胞膜上游离胆固醇以及T细胞受体（TCR）成簇化，提高TCR结合肿瘤抗原的亲合力；可以更高效形成免疫突触，脱颗粒水平更高，增强杀伤能力。

氨基酸代谢对免疫细胞的影响
谷氨酰胺（Gln）：通过转运受体SLC1A5和SLC7A5进入细胞，在谷氨酰胺酶（GLS）作用下产生谷氨酸，在谷氨酸脱氢酶催化下转化成α-酮戊二酸，进入TCA循环，参与核苷酸、氨基酸、脂肪酸的合成；Gln-谷胱甘肽，维持活性氧稳态。Gln缺乏会通过EGFR/ERK/c-Jun通路诱导PD-L1表达，抑制T细胞分泌IFN-γ，肿瘤细胞逃逸免疫杀伤；敲减GLS会损害Th17细胞的分化。
精氨酸（Arg）：由谷氨酸通过精氨琥珀酸合成酶1和精氨琥珀酸裂解酶两步催化合成，然后在精氨酸酶1（Arg-1）和一氧化氮合酶（NOS）作用下转化为鸟氨酸、尿素、一氧化氮、瓜氨酸。免疫抑制细胞（MDSC、Treg）高表达Arg-1，降解Arg抑制T细胞功能。
色氨酸（Trp）：在IDO1/2和TDO催化下，转化为犬尿氨酸（Kyn）进行分解代谢。TME中间质细胞（内皮细胞、TAM）高表达IDO和TDO，消耗Trp，导致T细胞增值和功能受限；Kyn的积累可以促进Treg分化。

免疫治疗：DON通过抑制Gln代谢，增加CD8+T细胞的活化和功能；GLS拮抗剂（CB-839）通过抑制肿瘤细胞对Gln的利用，增加TME中Gln，激活mTOR和c-Myc信号通路，促进NK细胞杀瘤活性；IDO抑制剂常与化疗药物或其他免疫检查点抑制剂联合使用。

胰腺癌TME

  胰腺癌TME中，肿瘤细胞仅占一小部分，其余大部分由基质成分构成，其中包含多种免疫抑制性细胞，如髓系来源抑制细胞（myeloid-derived suppressor cells，MDSCs）、肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophages，TAMs）、调节性T细胞（regulatory T cells，Treg）、胰腺星状细胞（pancreatic stellate cells，PSCs）和肿瘤相关成纤维细胞（cancer-associated fribroblasts，CAFs）等，而抗肿瘤免疫细胞如自然杀伤（natural killer，NK）细胞和CD8+T细胞等则浸润较少。因而，胰腺癌TME表现为高度免疫抑制性，同时丰富紧密的ECM及可溶性分子对于抑制抗肿瘤免疫也发挥重要作用。

免疫抑制性细胞
Treg
  肿瘤细胞来源的多种趋化因子如CCL5、CCL17、CCL22能够募集Treg，TME中的血管内皮细胞能够促进Treg的黏附和聚集，TME中的其他免疫抑制细胞可以分泌TGF-β诱导CD4+T细胞向Treg转化。Treg能够高表达CTLA-4、PD-1等免疫抑制性分子，通过细胞间接触抑制T细胞的作用，并且可以释放颗粒酶和穿孔素直接诱导CD8+T细胞死亡。Treg与TME中的抗原提呈细胞相互接触后，能够下调其表面的CD80/CD86分子的表达，间接增加CD8+T表面PD-1和T细胞免疫球蛋白黏蛋白3（TIM-3）等抑制性受体的表达，减少细胞因子和颗粒酶的释放，降低其杀伤肿瘤细胞的能力并促进其凋亡；Treg也可以通过细胞接触和分泌IL-10、TGF-β抑制NK细胞、自然杀伤T（NKT）细胞以及CD8+T细胞的功能。
CAF
  CAFs通过分泌CXCL12吸引CXCR4+T细胞，使其迁移至远离肿瘤细胞的基质成分中，同时分泌CCL5、CCL2和CCL17募集单核细胞和Treg，促进局部免疫抑制性微环境的形成。肿瘤组织CAFs分泌的胶原蛋白可以形成一种物理屏障阻断活化T细胞的进入，抑制T细胞介导的抗肿瘤免疫。
PSC
  分泌许多可溶性细胞因子如TGF-β、IL-10、VEGF和单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1），与肿瘤组织中的免疫细胞相互作用，导致免疫抑制性细胞的增多，同时能够减少抗肿瘤免疫细胞的浸润，进而促进免疫抑制性TME的形成。
MDSC
  产生活性氧自由基抑制免疫；高表达精氨酸酶和一氧化氮合成诱导酶抑制T细胞增值并促使凋亡；诱导Treg分化；增加PD-L1表达，抑制T细胞功能。
巨噬细胞
  一方面分泌CCL22募集Treg，后者可以分泌IL-8进一步促使TAMs分泌TGF-β，进而增强TME的免疫抑制性；另一方面TGF-β可以促进CD8+T细胞表面PD-1、CTLA-4等抑制性分子的表达，减少颗粒酶和IFN-γ的产生，抑制其抗肿瘤能力；此外，TAMs还可以分泌CCL17、CCL18等趋化因子募集Treg，同时分泌前列腺素E2、IL-10等诱导Treg的分化，进而促进TME中的免疫抑制。

糖代谢
  近年来，靶向胰腺癌的代谢弱点（metabolic vulnerability）为胰腺癌的治疗带来新的契机，有望带来这一难治性肿瘤的治疗突破。例如，2012年DePinho实验室报道了抑制己糖胺合成通路和非氧化磷酸戊糖旁路对KRAS G12D突变的PDAC具有显著抗肿瘤作用；又有研究发现，PDAC中突变的RAS能驱动肿瘤通过巨胞饮作用供给自身能量需求，靶向巨胞饮对于PDAC具有良好治疗效果。考虑到肿瘤代谢的异质性，如何甄别代谢抑制剂的敏感群体，是有待回答的重要问题。
  磷酸甘油酸变位酶PGAM1是糖酵解通路中的关键代谢酶，其催化糖酵解通路中的3-磷酸甘油酸（3-PG）转化生成2-磷酸甘油酸（2-PG），促进葡萄糖代谢和能量生成，并参与细胞内生物大分子合成和维持氧化还原稳态，促进肿瘤细胞增殖。新近发表在Cell Metabolism杂志的文章报道了新一代PGAM1别构抑制剂（HKB99）对非小细胞肺癌生长和转移的抑制作用，显示出极大的治疗潜力。
  2019年10月28日，PNAS上文章表明，通过对50例PDAC患者的临床标本的研究发现，PGAM1在肿瘤组织活性明显高于瘤旁组织，且其PGAM1表达量且与临床预后显著相关，提示了PGAM1是PDAC的潜在靶标；基于PGAM1的晶体结构优化，得到了活性更好的PGAM1抑制剂（KH3）。在原代细胞、原位植入模型以及PDX等多种胰腺癌临床前模型中，KH3显示出较好地抗肿瘤作用。特别是，KH3的治疗效果与肿瘤组织中PGAM1的表达水平密切相关，在PGAM1高表达的PDX模型中更为显著，提示PGAM1的表达水平有望成为遴选KH3敏感人群的生物标志物；进一步通过转录组学分析发现，PGAM1抑制剂对胰腺癌信号通路的影响与肺癌有显著差异。PGAM1可协同抑制脂代谢通路及经典Hedgehog 通路，且上述通路的抑制程度与药物的治疗效果密切相关。该发现为靶向肿瘤代谢通路的胰腺癌个性化治疗提供了重要证据。