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综述 | Cell Death Dis.:癌细胞代谢重编程:免疫治疗反应的关键

2021-04-19  微科享

编译:胜寒,编辑:Emma、江舜尧。

原创微文,欢迎转发转载。

导读

通过靶向肿瘤微环境以刺激抗肿瘤免疫力,免疫疗法彻底改变了癌症治疗方法。然而,许多患者在最初接受治疗的时候没有效果或后期发展为继发性耐药。基于肿瘤微环境中有限的资源以及肿瘤与免疫细胞之间的竞争,大量研究表明靶向代谢可以帮助调节抗肿瘤免疫力。但是,在所有不同的潜在可靶向代谢途径中尚不清楚哪一种途径更有可能克服免疫检查点抑制剂的耐药性。在这里,作者探讨了癌细胞中代谢重编程可能会抑制抗肿瘤免疫,以及可用于促进抗肿瘤反应的策略。


论文ID


原名:Cancer cell metabolic reprogramming: a keystone for theresponse to immunotherapy
译名:癌细胞代谢重编程:免疫治疗反应的关键
期刊:Cell death & disease
IF:6.304
发表时间:2020.11
通讯作者:Stéphane Rocchi
通讯作者单位:法国蔚蓝海岸大学

内容

在过去的十年里,由于免疫疗法的发展,癌症治疗的模式发生了革命性的变化。确实,这是首次目的为刺激宿主免疫系统攻击肿瘤细胞的疗法,而先前的治疗方法旨在直接靶向癌细胞。历史上,免疫疗法有效性的第一个证据是用靶向细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4(CTLA-4)的抗体治疗皮肤黑色素瘤。CTLA4是T细胞受体(Tcell receptor, TCR)与CD28共刺激信号结合后,在静息T细胞的质膜上表达的一种检查点蛋白。CTLA4与CD28竞争CD80和CD86的结合并抑制T细胞的活化。即使在转移性黑色素瘤患者中观察到针对靶向CTLA4的抗体有一些持久性反应,但是该反应与组织特异性炎症导致的频繁毒性相关。

之后,研究人员基于针对PD1和PD-L14之间的相互作用开发了第二种治疗策略。PD-L1的过表达是一种适应性耐药机制,肿瘤细胞利用它通过PD-1介导的T细胞衰竭来逃避抗肿瘤免疫反应。在患有黑色素瘤和非小细胞肺癌(NSCLC)的患者中获得了针对PD1的抗体抗肿瘤活性的第一个证据。有趣的是,抗PD1治疗的不良反应发生率低于抗CTLA4治疗的不良反应发生率,在抗PD1治疗的患者中约30%观察到持久应答。当前,监管机构批准了五种抗PD-1或抗PD-L1抗体,用于治疗11种不同类型的癌症。最后,研究人员利用抗CTLA4和抗PD1抗体之间的互作开发了一种组合治疗策略。即使该治疗策略的治疗效率大大提高,但是不良反应的发生频率和强度也急剧增加,从而限制了该治疗策略的利用。

免疫疗法治疗癌症似乎已经到了一个难以前进的困难时期,如果没有更好地理解癌细胞抵抗治疗的适应性机制,就无法解决当前面临的种种困难。事实上,癌细胞会改变许多不同的细胞过程以适应压力条件并继续增殖,所以可塑性是癌细胞的一大特点。关于细胞代谢的具体情况,自20世纪20年代以来,人们已经知道代谢重编程是转变的一个标志。然而,由于能量需求,癌症细胞的新陈代谢重编程远比第一次观察到的要复杂得多。

由于癌细胞消耗资源和血管损伤,肿瘤微环境往往缺乏营养和氧气,形成癌细胞与间质细胞之间的竞争。因为免疫检查点疗法针对的是免疫效应细胞,而不是直接针对癌细胞,所以这两种细胞群之间的代谢干扰似乎是免疫治疗效果的决定因素。在这里,作者决定将注意力集中在癌细胞的某些代谢适应性疾病上,这些适应性疾病可能会直接或间接干扰T细胞效应和免疫检查点的阻断效率。

1. 肿瘤细胞饿死T细胞以阻止抗肿瘤免疫

尽管大量研究表明,氧化磷酸化(OXPHOS)在许多不同的肿瘤中均完好无损,但首先描述的癌细胞代谢特征是它们倾向于通过厌氧糖酵解转换为ATP的产生,以适应肿瘤发展过程中普遍存在的低氧条件。在肿瘤微环境中,癌细胞对葡萄糖的高需求对邻近细胞(例如免疫细胞)的生存和发展十分不利。有趣的是,在其激活,增殖和分化过程中,T细胞会改变其新陈代谢。处于静止状态的T细胞主要依靠OXPHOS和脂肪酸氧化(FAO)来满足其需求。通过T细胞受体(TCR)和共刺激受体参与激活后,T细胞改变其新陈代谢以支持增殖和效应子功能。特别地,CD28共刺激参与激活PI3K/AKT途径并增加糖酵解通量。糖酵解通量的增加促进了戊糖磷酸途径(PPP),丝氨酸生物合成和脂肪酸合成途径等过程,并产生了用于核苷酸合成的中间体。因此,由于肿瘤微环境中葡萄糖的可用性受到限制,癌细胞与T细胞之间对葡萄糖的竞争似乎是整体抗肿瘤免疫反应是否会导致肿瘤消除或生长以及对抗肿瘤免疫监视产生抵抗力的潜在关键决定因素。为了验证这一想法,研究人员发现从糖酵解水平高的患者中分离出的黑色素瘤细胞对过继性T细胞疗法的反应降低。然而,最近的一项研究表明,短暂的葡萄糖限制可以增强CD8T细胞的功能,该研究强调了代谢和效应功能之间相互影响的复杂性。

由于氨基酸是蛋白质的基石,氨基酸的高可用性是肿瘤生长的必要条件。然而,免疫细胞也需要氨基酸来分化和发展其效应功能,并最终控制肿瘤的发展。

因此,更好地了解肿瘤微环境中各细胞群对氨基酸的利用,对于有效激发抗肿瘤免疫至关重要。谷氨酰胺通过谷氨酰胺水解为三羧酸(TCA)循环提供代谢中间产物,这些代谢中间产物是构建脂质、蛋白质和核酸的基石,而这些中间产物也是癌细胞增殖所必需的。有趣的是,同样的代谢途径已被证明对T细胞的激活和增殖至关重要。更具体地说,在T细胞激活过程中,MAPK/ERK通路协调谷氨酰胺摄取和谷氨酰胺分解。由于致癌信号通路如MAPK/ERK通路的激活,癌细胞对谷氨酰胺的摄取和利用增加了。因此,癌细胞和活化的T细胞之间对谷氨酰胺的竞争会对T细胞和抗肿瘤免疫反应产生不利影响,但它也可以提供治疗机会。谷氨酰胺阻滞也具有间接的免疫刺激抗肿瘤作用,研究表明一种谷氨酰胺代谢的小分子抑制剂通过抑制集体性刺激因子3(CSF3)的产生,抑制了髓源性抑制细胞(MDSCs)的生成。有趣的是,在这项研究中,作者表明谷氨酰胺代谢抑制也通过IDO抑制对色氨酸分解代谢产生影响。然而,Ma等人证明,在肾癌中,谷氨酰胺抑制诱导PD-L129的表达,这表明在免疫治疗的背景下,靶向谷氨酰胺是困难的。

色氨酸是一种必需的氨基酸,细胞通过神经氨酸途径来利用色氨酸。由于肿瘤癌细胞和T细胞需要从微环境中摄入色氨酸来满足自身的需要,因此对色氨酸的需求存在竞争。具体来说,在T细胞中色氨酸对细胞增殖至关重要。有趣的是,研究发现SLC7A5敲除通过激活mTOR和诱导c-Myc的表达来阻断T细胞克隆扩增和效应子分化。因此,色氨酸分解代谢是癌细胞抑制抗肿瘤免疫反应的重要机制。目前研究最多的色氨酸分解代谢途径是吲哚胺-2,3-双加氧酶(IDO),这是一种催化色氨酸转化为犬尿氨酸的酶。由于IDO1基因启动子具有IFN刺激的应答元件(ISREs)和IFN活化位点(GAS),所以I型干扰素(interferon-αβ)和II型干扰素(interferon-γ)可刺激IDO表达。干扰素-γ是CD8+T细胞活化的标志之一,癌细胞表达IDO可视为细胞对肿瘤中CD8+T细胞浸润的一种适应机制。另外两种酶吲哚胺-2,3-双加氧酶2 (IDO2)和色氨酸-2,3-双加氧酶(TDO)被证明是IDO相关的酶,但它们表现出不同的表达模式。TDO已被证明能够维持色氨酸分解代谢,并诱导抑制抗肿瘤免疫反应,因此在治疗癌症中的也能发挥一定作用。

色氨酸饥饿会抑制CD8+T细胞效应子功能并刺激CD4+调节性T(Treg)细胞功能,产生强大的免疫抑制作用,从而影响CTLA4和PD1/PD-L1途径介导的免疫检查点,从而产生致瘤性肿瘤微环境。从机理上讲,这些作用是通过激活应激反应激酶GCN2来介导的,后者可抑制mTORC2和下游AKT。最初,有人提出IDO通过局部色氨酸饥饿直接介导免疫抑制作用。而研究表明,IDO1表达与多种肿瘤类型的预后不良有关。然而,已在B16黑色素瘤模型研究中表明,色氨酸分解代谢诱导的抗肿瘤T细胞反应的抑制可独立于GCN2介导的作用。

有趣的是,许多研究表明色氨酸分解代谢产生的代谢物,例如犬尿氨酸,犬尿酸,3-羟基-犬尿氨酸和3-羟基-邻氨基苯甲酸,可以抑制T细胞介导的抗肿瘤免疫力。犬尿氨酸是IDO依赖性色氨酸降解途径中的首个代谢产物,可被癌细胞输出到肿瘤微环境中以抑制抗肿瘤免疫力并防止肿瘤清除。几项研究已确定犬尿氨酸可以激活芳烃受体(AhR)。从功能上讲,AhR是一种胞质蛋白,在与配体相互作用后会转移到细胞核中。在细胞核中,AhR结合靶基因的启动子区域,该目标基因的启动子区域包含被称为“芳烃反应元件”(AHRE)和dioxin反应元件(DRE)的序列。有趣的是,AhR表达丰富了白介素17(IL-17)的产生CD4 + T细胞并参与调节性T细胞(Tregs)的生成。另一项研究表明,AhR与犬尿氨酸的相互作用可以通过CD8 + T细胞功能的改变来介导免疫抑制作用。

色氨酸耗竭诱导的通过GCN2激活介导的抗肿瘤免疫抑制与犬尿氨酸介导的AhR移位之间的相互关系需要更深入地研究,但一项研究已经表明,这两种途径可以协同诱导调节性T细胞表型并允许肿瘤发展。这两种机制之间的一种可能的联系可能是氨基酸转运蛋白LAT1,它已被证明可将色氨酸导入细胞并同时充当犬尿氨酸的反转运系统。

综上所述,研究表明色氨酸分解代谢可能是驱动抑制抗肿瘤免疫反应一个主要的代谢机制,因此色氨酸分解代谢有可能成为治疗癌症的主要靶点。

精氨酸是另一种在肿瘤微环境中有用的氨基酸。最近的一项研究表明,氨基酸是肿瘤中消耗最多的物质。由于肿瘤细胞和免疫细胞对精氨酸的共同需求,免疫细胞中精氨酸的饥饿似乎是癌细胞增殖的另一途径。事实上,摄取精氨酸已被证明是CD8+T细胞增殖、记忆反应形成和最终抗肿瘤反应的必要条件。研究表明,缺乏精氨酸可干扰T细胞中的糖酵解,从而抑制细胞因子的产生和T细胞的增殖。然而,即使一些研究表明癌细胞产生精氨酸酶(由精氨酸降解的酶家族组成),但大量研究表明,大多数精氨酸酶来自肿瘤基质。事实上,MDSCs在肿瘤基质中的积累是肿瘤发展的标志,它主要是导致精氨酸丧失的原因。在其发展过程中,肿瘤破坏髓腔室,导致表达精氨酸酶和抑制抗肿瘤免疫的MDSCs的发展。

综上所述,这些研究强调了精氨酸对抗肿瘤免疫效率的重要性,并指出了可用于靶向MDSCs的抗肿瘤免疫抑制的潜在可行机制(图1)。

图1  微环境中的代谢竞争决定肿瘤生长

2. 肿瘤细胞代谢创造了一个恶性肿瘤微环境

有趣的是,限制T细胞对葡萄糖的利用,糖酵解通量的增加,将产生免疫抑制代谢物,如乳酸,其可以减少肿瘤免疫排斥和免疫治疗的反应。实际上,乳酸是由糖酵解酶LDH由丙酮酸产生,高LDH水平与各种肿瘤类型的不良临床预后相关。即使通常认为LDH的水平是肿瘤块的反映,LDH的预测价值的原因仍存在争议。乳酸在肿瘤微环境中的积累与肿瘤区域的酸化有关,肿瘤细胞中乳酸的产生影响肿瘤浸润T细胞的γ干扰素的产生,NK细胞的激活,以及骨髓来源抑制细胞的比例,这将导致免疫监视作用下调,从而支持肿瘤生长。事实上,乳酸还可以通过调节树突状细胞的分化来影响免疫监视作用,乳酸促进肿瘤相关的树突状细胞表型,其特征是主要组织相容性复合体I分子的减少和耐受性表型的维持。关于乳酸对巨噬细胞的影响,Colegio等人已经证明高浓度乳酸通过稳定HIF1α74促进M2巨噬细胞极化,但不同研究的结果却较为矛盾。最近,乳酸也被认为与乳酸衍生组蛋白赖氨酸残基的酰化有关。这种表观遗传修饰刺激M2标记基因的转录,如IL6和ARG1。除了乳酸盐的直接作用外,从癌细胞中输出乳酸盐会导致肿瘤微环境的pH降低,这一事实也会影响免疫细胞。例如,pH降低会损害T细胞的细胞毒性和NK细胞的天然细胞毒性,肿瘤引起的酸中毒还可以促进巨噬细胞向着与肿瘤相关的巨噬细胞表型的极化,从而维持肿瘤的生长。更具体地说,在免疫治疗的背景下,Bosticardo等人已经表明,除了干扰激活(通过白介素2和干扰素-γ分泌)和增殖外,低pH值还可以上调T淋巴细胞上CTLA-4的表达。Pilon-Thomas等提示对肿瘤介导的免疫治疗作用的抑制作用可能由特定的酸敏感受体介导,例如G蛋白,T细胞抑制受体和T细胞死亡相关基因-8,已经被证明可以抑制淋巴细胞中的MYC翻译。
总之,除了肿瘤细胞的直接饥饿效应,肿瘤细胞还可以利用糖酵解和相关过程形成肿瘤微环境以逃避抗肿瘤免疫,进而继续增殖(2)

图2  肿瘤细胞糖酵解形成一个酸性的微环境

3. 靶向肿瘤细胞代谢提高免疫检查点阻滞效率

有大量的研究试图针对不同的代谢途径来提高免疫检查点阻滞效率或绕过抵抗。然而,肿瘤细胞和来自肿瘤基质的免疫细胞,尤其是活化的CD8+T细胞,存在着代谢依赖关系,这使得它们很难与靶向代谢过程和免疫检查点阻滞的药物获得联合效应。
研究发现,通过脂肪酸代谢的靶向性可以突出显示这种复杂性。确实,即使脂质和胆固醇的积累与癌症的侵袭性相关,尤其是通过诸如脂肪酸合酶(FASN)等靶标发现了治疗机会,对不同免疫细胞群体的后果也可能相反。例如,脂肪酸氧化(FAO)对于CD8+记忆细胞的发育以及免疫抑制调节剂T细胞(Treg)和免疫抑制M2巨噬细胞的功能至关重要。
由于肿瘤微环境中的资源是有限的,所以细胞会受到能量压力。AMP活化蛋白激酶(AMPK)是一种丝氨酸/苏氨酸激酶,通过检测AMP/ATP比率来感知能量稳态。即使AMPK激活已被证明可以调节组成肿瘤基质的细胞的各种功能,包括MDSCsT细胞,而研究人员的兴趣集中在肿瘤细胞中AMPK激活的后果,因为它可以影响抗肿瘤免疫反应。靶向AMPK已被广泛证明是一种潜在的抗肿瘤策略,最典型的激活AMPK的分子可能是抗糖尿病药物二甲双胍,关于二甲双胍通过多种机制对不同类型肿瘤的潜在抗肿瘤作用已有大量文献。关于抗肿瘤免疫,Eikawa等人于2015年证明二甲双胍治疗可以以AMPK依赖的方式刺激CD8 +T细胞效应因子的功能导致肿瘤消退。另外,靶向线粒体氧化磷酸化(也被二甲双胍靶向)通过诱导肿瘤中细胞毒性T淋巴细胞效应子/记忆细胞的扩增与PD-1阻滞协同作用。

  然而,AMPK调控对癌细胞的影响还存在争议。一方面,已证明肝激酶B1(LKB1)是磷酸化AMPK的激酶之一,与非小细胞肺癌中PD-L1的表达相关。从机制上讲,LKB1通过AMPK和KEAP1/NRF2信号传导增加PD-L1表达。此外,在同一项研究中证明了LKB1敲低可通过减少CCL5和CXCL12(趋化因子募集淋巴细胞和树突状细胞)和增加CXCL5和CXCL7(促进中性粒细胞募集的趋化因子)来控制细胞因子的产生,导致肿瘤微环境重塑为免疫抑制基质。另一方面,已显示二甲双胍对AMPK的激活可诱导PD-L1丝氨酸195的磷酸化,导致糖基化异常,并最终通过ER相关蛋白降解(ERAD)降解PD-L1。因此,使用二甲双胍靶向AMPK可能是与抗CTLA4治疗联合使用以刺激抗肿瘤免疫力的替代策略。但是,AMPK激活似乎能够增加表达或诱导PD-L1降解的研究令人困惑。在免疫治疗的背景下,在考虑临床应用二甲双胍或其他AMPK激活剂之前,有必要进行深一步的研究。

  为了满足细胞增殖的需要,癌细胞增加核苷酸代谢,为核酸和蛋白质合成提供必要的核苷酸。因此,核苷酸代谢在肿瘤细胞生物学中起着至关重要的作用,是提高肿瘤治疗水平的潜在靶点。针对核苷酸代谢的策略在很久以前就被开发出来了,例如使用抗代谢物,它竞争性地抑制参与核苷酸合成的酶的活性。即使这些策略目前被用于多种癌症类型的治疗,或者如果专门针对嘌呤或嘧啶的新兴策略看起来有吸引力,在免疫治疗的背景下,针对嘌呤或嘧啶代谢的潜力的数据相对较少。然而,最近的研究表明,哺乳动物清除废物氮的主要途径尿素循环的改变,可以调节免疫治疗的反应。事实上,由于与疏水性肿瘤抗原表达相关的嘧啶与嘌呤比率增加,从而增强了对免疫检查点阻滞的反应,尿素周期相关酶表达的特异性改变诱导了一种特异性突变特征。即使这些研究强调了靶向核苷酸代谢可能是提高免疫治疗反应的一个有效的策略,但是还需要进一步的探索,以充分了解核苷酸代谢如何干扰抗肿瘤免疫,特别是因为靶向核苷酸合成具有免疫抑制作用(图3)。

图3 癌细胞中增加免疫检查点阻滞效率的潜在可行途径

4. 正在进行的临床试验和未来的方向

虽然从理论上讲,靶向代谢提供了改善免疫检查点阻滞反应或旁路抵抗的各种机会,但目前尚无在标准治疗中使用此类疗法的治疗方案,一些联合治疗目前正在或已经在研究中。
最先进的免疫治疗组合策略可能是利用IDO1抑制剂的策略。如前所述,IDO1是一种负责色氨酸分解代谢并转化为犬尿氨酸的酶,犬尿氨酸是一种通过AhR信号通路诱导免疫抑制的代谢物。研究表明,IDO1参与了多种治疗的耐药性机制,特别是抗CTLA4治疗,这为联合用药提供了概念证明。许多临床试验正在进行中,以测试IDO抑制剂EpacadostatIndoximodNavoximodBMS-986205与抗PD1、抗CTLA4或基于疫苗的策略联合使用的有效性。然而,即使测试IDO1抑制剂治疗黑色素瘤疗效的I期和II期临床试验的结果令人鼓舞,但由于它们与抗PD1药物联合治疗黑色素瘤的疗效不佳,药物的开发也被叫停了。

关于氨基酸精氨酸,目前正在研究的精氨酸酶抑制剂可阻断髓细胞介导的T细胞抑制,其体内实验结果表明,用CB-1158阻断精氨酸酶可与免疫检查点阻断和过继T细胞或NK细胞治疗协同作用。不幸的是,正在进行的精氨酸酶抑制剂INCB001158、IDO抑制剂epacadostat和anti-PD1三联疗法的试验由于epacadostat和anti-PD1联合疗法的阴性结果而过早停止。精氨酸酶在肿瘤微环境的免疫抑制中起关键作用,由于MDSC的重要性,评估精氨酸酶抑制剂的效率不仅在一线治疗中,而且在获得免疫治疗抗药性的患者中也很有意义。

关于谷氨酰胺代谢的靶向治疗,目前正在进行一项临床试验,测试谷氨酰胺酶(GLS)对肿瘤的抑制作用。GLS是谷氨酰胺水解的第一种酶,用于联合化疗加抗PD1治疗非小细胞肺癌。此外,考虑到谷氨酰胺拮抗剂DON抗肿瘤取得的令人振奋的结果,对该治疗策略的进行临床评估是必要的。
最后,传统的抗糖尿病药物二甲双胍也在与免疫疗法的联合试验中找到了第二个青春正如之前在体外和体内数据中看到的,靶向AMPK可能是一个有用的策略,用以提高免疫检查点抑制剂的效率。二甲双胍在全球范围内被用于治疗2型糖尿病的患者超过1.2亿人,对二甲双胍不良反应的广泛了解可能使其与免疫疗法的联合更安全。考虑到使用二甲双胍治疗的患者发生癌症的风险较低,临床试验的结果将是有用的(1)

表一  目前正在进行的结合靶向细胞代谢药物和免疫治疗策略的临床试验列表

结论

有大量证据表明,靶向肿瘤细胞代谢适应可以提供新的治疗机会,特别是当它与免疫检查点抑制策略结合使用时。癌细胞中PD-L1的表达已被证明通过AKT/mTOR激活刺激糖酵解,这一事实准确地说明了免疫检查点和代谢之间存在联系。然而,癌细胞与免疫效应细胞尤其是CD8 T细胞,存在着不同的代谢依赖关系,这使得在不影响T细胞诱导的肿瘤清除的情况下,很难对肿瘤细胞的代谢进行靶向。因此,可能只有针对癌细胞的基本途径才有可能克服免疫疗法面临的困难。另一种替代策略可能是联合使用靶向癌细胞代谢的方法和过继T性细胞疗法。实际上,体外细胞扩增提供了在患者转移之前遗传或药理上补偿T细胞代谢的机会。因为体外研究很难转移到体内,未来的工作将需要充分了解肿瘤微环境中的代谢动力学。最后,如果希望避免像IDO抑制剂那样的刺痛性失败,在基于深入的体内研究基础上,研究人员应该更仔细地设计评估靶向肿瘤和基质之间代谢串扰潜力的试验,这样才能够提出有效的组合策略来避免免疫检查点抑制剂耐药。
 
原文链接:/10.1038/s41419-020-03175-5

 



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