Cell Metab 丨 靶向肿瘤微环境中CD8+T细胞代谢的治疗潜力
原创 珍奇 图灵基因 2022-07-24 11:04 发表于江苏
收录于合集#前沿分子生物学机制
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撰文：珍奇
IF：31.373
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亮点：
本研究对肿瘤微环境（TME）内CD8+T细胞细胞毒性的代谢依赖性进行了建模，结果显示通过丙酮酸羧化酶（PC）活性、琥珀酸分泌和琥珀酸受体1（SUCNR1）的自分泌激活，抑制丙酮酸脱氢酶（PDH）的药物足以重建CD8+T细胞的细胞毒性。由此说明在TME代谢环境中，可通过影响T细胞代谢从而促进细胞毒性进行治疗。
肿瘤微环境（TME）是一个独特的代谢生态位，它可以抑制T细胞的代谢和细胞毒性。过去几年的研究强调了代谢在CD8T细胞生物学多个方面的核心作用，如代谢重编程在T细胞激活时的启动，对维持CD8T细胞的增殖、存活和功能至关重要，其中一些研究已经描述了新生CD8+T细胞在激活和分化后的代谢特征。然而，TME如何影响这些代谢转变和CD8+T细胞功能仍尚未阐明。2022年7月11日，哈佛大学Marcia C. Haigis研究团队在《Cell Metabolism》杂志上发表了题为“Tumor cells dictate anti-tumor immune responses by altering pyruvate utilization and succinate signaling in CD8+ T cells”的文章。该研究通过建立体外系统，再现了TME的代谢生态位，从而定义了细胞的特异性代谢。他们发现肿瘤衍生的乳酸改变了T细胞的代谢并抑制了T细胞的细胞毒性；将PDH确定为一个潜在的药物靶点，可使CD8+T细胞克服富含乳酸盐的TME并保持细胞毒性。
模拟TME环境会损害CD8+T细胞的细胞毒性和PC活性
为了确定CD8+T细胞中伴随细胞毒性的代谢改变，作者用抗CD3/抗CD28、IL-2和IL-12激活了识别鸡卵清蛋白（OVA）257-264蛋白的初始TCR转基因OT-1 CD8+T细胞，并使其表达OVA蛋白。在与肿瘤细胞培养24小时后对T细胞的细胞毒性进行检测，发现肿瘤细胞的存在可以刺激抗原特异性CD8+T细胞IFNg和GzmB的产生并改变CD8+T细胞的代谢，但不能影响Ki67的表达。此外，模拟TME的条件培养基（CM）以独立于抗原的方式抑制CD8+T细胞的IFNg和GzmB的产生以及PC的活性，这表明由肿瘤细胞塑造的营养成分可以抑制CD8+T细胞的效应功能并导致代谢重编程。
图1. TME模拟养分有效性会损害CD8+ T细胞的细胞毒性和PC活性
肿瘤细胞分泌的乳酸重新引导CD8+T细胞的代谢
为了确定可能导致CD8+T细胞活性被抑制的具体代谢物变化，他们直接比较了CM（模拟TME组）与RPMI（对照组）的代谢物组成，结果显示乳酸在CM中明显富集，小鼠体内肿瘤间质（TIF）的乳酸水平与在CM中观察到的相似。这些数据证实了乳酸积累是免疫抑制性TME的一个特征，并表明肿瘤来源的乳酸可能是CD8+T细胞代谢重构的一个驱动因素。因此，他们用乳酸脱氢酶（LDH）抑制剂草酸钠处理肿瘤细胞，减少乳酸的生成和分泌。数据表明，肿瘤衍生的乳酸导致PC活性下降，CD8+T细胞的细胞溶解活性减弱。
图2. 肿瘤细胞分泌的乳酸盐重建CD8 + T细胞代谢
抑制PDH可通过TCA循环回补增加PC活性和CD8+T细胞的细胞毒性
为了测试PC和PDH的活动与CD8+T细胞效应功能之间可能存在的因果关系，作者对丙酮酸氧化的两个分支进行了调节（图3A）。由于PC和PDH的活性控制着丙酮酸进入线粒体的节点，因此他们测试了抑制PDH是否会增加丙酮酸对PC的利用，从而促进CD8+T细胞的细胞毒性。有趣的是，在补充有10mM乳酸的共同培养物中，对PDH的抑制足以挽救PC活性和CD8+T细胞的杀伤力。此外，整个过程需要PC的活性来补充TCA循环的中间产物以维持CD8+T细胞的细胞毒性。
图3. 抑制PDH通过TCA循环回补增加PC活性和CD8 + T细胞毒性
PC的活动使琥珀酸的分泌和CD8+T细胞的功能得以实现
在分析CD8+T细胞培养基组成时，他们发现琥珀酸盐在肿瘤细胞存在时积极分泌，而这种效应受到CM的抑制。与作为单细胞培养的T细胞相比，参与肿瘤细胞细胞溶解的CD8+T细胞中的SDHA活性显著下降。随后，他们通过使用13C4-琥珀酸盐来探究琥珀酸盐在CD8+T细胞内的命运。数据表明，PC的活性通过允许琥珀酸分泌到细胞外空间而增加了CD8+T细胞的细胞毒性，同时通过无回补维持TCA循环的通量。
图4. PC活性促进琥珀酸分泌，提高CD8 + T细胞功能
细胞外琥珀酸激活SUCNR1并促进CD8+T细胞的细胞毒性
由于琥珀酸盐主要不用于补充TCA细胞，他们研究了这种代谢物作为自分泌信号以支持CD8 + T细胞毒性的潜力。为了确定CD8+T细胞分泌的琥珀酸对该受体的自体激活是否重要，他们生成了SUCNR1的shRNA并评估了CD8+T细胞的细胞毒性。敲减SUCNR1明显损害了CD8+T细胞的杀伤力以及IFNg的产生，用PDH抑制剂处理也无法逆转SUCNR1 KD细胞的CD8+T细胞杀伤力，用蔗糖受体激动剂（SRA）顺式环氧琥珀酸处理可促进CD8+T细胞特异性杀伤和IFNg的产生。综上所述，这些数据与SUCNR1信号传导发生在乳酸盐诱导的CD8+T细胞代谢重构的下游这一模型相一致。
图5. 细胞外琥珀酸盐激活SUCNR1并促进CD8 + T细胞细胞毒性
抑制体内PDH增加TME的琥珀酸分泌，促进抗肿瘤免疫
接下来，他们使用共生B16痣瘤小鼠模型研究PDH的抑制是否会增加TME内琥珀酸的分泌。在使用PDH抑制剂后，小鼠肿瘤TIF（代表TME）中的琥珀酸水平提高，但血浆琥珀酸水平未受影响。接下来，他们测试了PDH活性是否影响了CD8+T细胞的浸润，并发现PDH KD OT-1 CD8+ T细胞具有更高的肿瘤浸润能力，与单独转移OT-1 CD8+ T shCTRL相比，单独转移OT-1 CD8+ T shPDH可抑制肿瘤生长。
最后，他们在肿瘤建立后使用药物性PDH抑制来验证这些结果，并探究了PDH抑制是否会与aPD-1免疫疗法协同作用。结果表明，aPD-1和CPI-613的组合进一步减少了肿瘤的生长，且PDH抑制剂特异性增强效应T细胞，同时通过互补的机制与免疫疗法治疗协同。
为了测试SUCNR1在体内CD8+T细胞中的重要性，他们用shRNA转导同源性标记的OT-1 CD8+T细胞，发现与对照组相比SUCNR1 KD OT-1 CD8+ T细胞表现出较低的肿瘤浸润能力。此外，SUCNR1的激活伴随着CD8+T细胞IFNg和GzmB表达的增加。
图6. 体内PDH的抑制可提高TME中的琥珀酸水平并促进抗肿瘤免疫
本研究证明了TCA循环在CD8+T细胞中表现出双重功能，即产生代谢中间产物及分泌琥珀酸。琥珀酸盐能激活促炎症的SUCNR1受体，以驱动炎症细胞因子的合成和T细胞的细胞毒性。重要的是，作者确定了几个代谢节点，即使在高乳酸的条件下，也可以针对这些节点恢复CD8+T细胞的活性。通过其激动剂顺式环氧琥珀酸直接激活SUCNR1，或通过抑制PDH增加PC活性和琥珀酸分泌，可以促进CD8+T细胞在TME的代谢能力和功能。因此，这项研究说明了代谢干预有可能增强免疫疗法并达到更好的治疗效果。
教授介绍：
Marcia C. Haigis教授于威斯康辛大学获得生物化学博士学位，并在麻省理工学院进行博士后研究。2006年，Haigis博士加入哈佛大学医学院，目前是该校细胞生物学系的教授。Haigis实验室的目标是：（1）确定线粒体对细胞压力作出反应的分子机制；（2）阐明这些细胞机制如何导致衰老和与年龄有关的疾病，如癌症。其实验室对理解癌症中的代谢重编程做出了关键贡献，包括确定白血病中脂肪氧化控制中的代谢脆弱节点，以及氨的代谢循环产生对肿瘤生长重要的氨基酸。
参考文献：
Elia I, Rowe JH, Johnson S, et al. Tumor cells dictate anti-tumor immune responses by altering pyruvate utilization and succinate signaling in CD8+ T cells [published online ahead of print, 2022 Jul 7]. Cell Metab. 2022;S1550-4131(22)00228-5. doi:10.1016/j.cmet.2022.06.008