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综述 | 哈佛大学: 肿瘤微环境的多层次调控机制

 微科享 2021-04-19

编译:微科盟胜寒,编辑:微科盟Tracy、江舜尧。

微科盟原创微文,欢迎转发转载。

导读

代谢转化是癌症的标志,是癌症治疗的关键靶点,而癌症的代谢和行为受细胞内在因素以及肿瘤微环境(TME)中代谢物的调节。TME中的代谢位是由四层调控形成的:(1)肿瘤细胞的内在代谢,(2)癌细胞和非癌细胞之间的相互作用,(3)肿瘤的位置和异质性,以及(4)全身代谢稳态。在本篇文章中,作者定义了这些代谢调节模式,并回顾了不同的细胞类型如何促进TME的代谢产物组成。最后,作者将这些见解联系起来,以了解这些调控方式如何提供独特的治疗潜力来调节TME中所有细胞的代谢谱和功能。


论文ID


原名:Metabolites and the tumour microenvironment: from cellular mechanisms to systemic metabolism
译名:代谢产物与肿瘤微环境:从细胞机制到整体代谢
期刊:Nature Metabolism
发表时间:2021.01
通讯作者:Marcia C. Haigis
通讯作者单位:哈佛大学医学院

内容

肿瘤细胞的代谢重组对于癌症的起始、增殖和进展是至关重要的,肿瘤细胞重塑代谢物产生分子产物如辅因子和结构单元。Otto Warburg的早期研究是基于以下观察结果的:即使在有氧的情况下,肿瘤也会消耗葡萄糖并分泌乳酸,Warburg将此现象归因于氧化代谢不良。随后的研究表明,呼吸是肿瘤生长所必需的,并且极大地促进了对这些观察结果的分子基础的理解。之前,细胞内在因素,如基因组景观和细胞信号,被认为是癌症细胞代谢、增殖和生存的关键驱动因素;然而,新兴的研究已经强调了TME形成的独特生态位在形成个体肿瘤的代谢环境中的显著作用,然而TME对代谢组成有具体发挥的作用还没有被充分阐明。
TME,肿瘤周围的直接生态位,是在一个独特的代谢环境中由各种类型的细胞组成的。血管提供氧气和营养物质,负责清除废物;而基质细胞和免疫细胞通过分泌信号分子和细胞外基质(ECM)成分来调节肿瘤的生长。由于癌细胞的高代谢活性、血液功能失调和炎症反应的增加,所以TME的生理特性不受控制。事实上,肿瘤生态位被描述为缺氧、酸性和营养缺乏,并以电解质失衡和氧化应激升高为特征。由于代谢物以及免疫细胞和基质细胞的命运是癌症发生的主要决定因素,所以调节局部代谢物可用性是影响肿瘤进展的一个新方面;此外,科研人员目前才刚刚开始研究TME中代谢产物水平的改变是如何影响癌症代谢和行为的。
在这篇综述中,作者将重点关注可能有助于TME代谢生态位的四种调节模式(1):(1)肿瘤细胞的内在代谢,(2)细胞类型之间的竞争和交流,(3)肿瘤的位置和异质性,以及(4)全身代谢稳态;文中还讨论了这些发现对改善治疗的潜力。了解代谢如何影响,以及如何受到TME中复杂的细胞相互作用的影响,可以使我们对控制癌症的机制有更深入的了解,并可能发现改善患者健康的新机会。

图1 影响TME代谢产物组成的代谢波动和生态位的示意图
TME的代谢产物组成是由不同程度的调控决定的。局部营养可用性主要由肿瘤细胞代谢和通过肿瘤细胞、浸润免疫细胞和支持基质细胞的代谢交流来确定。所有这些类型的细胞通过代谢产物的消耗和分泌改变TME。然而,代谢微环境也是由肿瘤的解剖位置决定的。由于组织结构、功能的不同,在不同器官甚至局部下器官和肿瘤部位可以发现代谢物的异质性。最后,代谢物可用性的差异也可能来自于系统代谢的变化,如饮食干预、代谢器官功能或代谢综合征。因为所有这些水平都导致了TME的异质性,它们都具有特定的治疗潜力。
 
1.   肿瘤细胞代谢

即使在动态条件下,癌细胞也会调整燃料的利用以支持其对细胞功能,增殖和存活的需求。实际上,代谢重编程是癌症的标志,研究者已经发现几种代谢酶是用于癌症治疗的有价值的药物靶标,然而,它们尚未鉴定出统一的肿瘤特异性代谢特征;不同的肿瘤表现出截然不同的代谢程序,对靶向不同肿瘤类型的代谢提出了挑战。哪些特征会导致新陈代谢使用方式的不同?尽管存在一些共同的特点,但癌细胞似乎是高度适应性的,而局部代谢物水平又是如何决定肿瘤生长?本节将涉及这些问题,并描述TME对肿瘤细胞代谢的影响。

1.1 肿瘤代谢利用并影响TME中代谢物的利用率

肿瘤细胞必须适应其代谢以满足对能量、生物质前体和辅助因子增加的需求。增强有氧糖酵解,也被称为Warburg效应,已成为维持癌症进展的最明显、最广泛的代谢适应。事实上,大多数肿瘤的特征是葡萄糖消耗和乳酸分泌的大量增加,正如肿瘤正电子发射断层扫描成像的广泛应用所证明的那样。有氧糖酵解使癌细胞,即使在有氧的情况下,也能通过乳酸脱氢酶的活性,将大量葡萄糖衍生的丙酮酸转化为乳酸。高水平的乳酸分泌可使维持糖酵解所需的NAD+再生。在大多数体细胞中,丙酮酸主要通过丙酮酸脱氢酶和丙酮酸羧化酶转化为线粒体乙酰辅酶A或草酰乙酸。这些代谢物在氧化磷酸化(OXPHOS)过程中被氧化为CO2,伴随着氧气消耗和NADHFADH2的产生,这两种物质被电子传递链用来产生ATP,因此,有氧糖酵解是一种比线粒体ATP生成效率低的能量生成过程:糖酵解合成2ATP分子,OXPHOS合成36ATP分子。最后,糖酵解被用来产生大量的生物分子用于生物质生产,在肿瘤中,糖酵解中间体被转移产生前体,用于合成代谢分子和控制细胞氧化还原状态的分子的生物合成,例如,从葡萄糖中合成丝氨酸,在磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH)的催化下,即使丝氨酸可用性很低,也能维持蛋白质、血红素和核苷酸的生物合成;此外,PHGDH活性导致谷氨酸转化为α-酮戊二酸,从而补充三羧酸(TCA)循环,并允许丙酮酸衍生的乙酰辅酶A用于脂肪酸合成。此外,糖酵解中间体葡萄糖-6-磷酸被侧移到戊糖磷酸途径中,以NADPH的形式产生核苷酸和还原性,而NADPH反过来又用于脂质合成和氧化还原平衡的调节。综上所述,这些研究表明肿瘤细胞在TME内直接利用葡萄糖代谢。
在代谢产物组成不同的环境中,癌细胞重新规划新陈代谢的能力尤为重要。对小鼠和人类的研究都发现,乳酸可被癌细胞回收,并通过促进非小细胞肺癌(NSCLC)的线粒体代谢促进增殖(图2)。因此,这种表型是否延伸到其他类型的肿瘤细胞,以及乳酸回收是否依赖于生化成分是值得进一步研究的。

图2 肿瘤代谢影响TME的代谢物组成,并受到TME的影响
肿瘤细胞已被证明能够适应TME并利用局部代谢物成分来维持肿瘤的生长、增殖和存活。除了充分研究过的Warburg效应,肿瘤细胞还可以回收废物,如氨和乳酸,从而维持代谢物的产生。此外,在体内,低水平的胱氨酸降低了逆向转运蛋白xCT/SLC7A11的活性,从而导致谷氨酸外流。细胞内高的谷氨酸库限制了谷氨酰胺分解代谢。最后,血浆中高尿酸水平抑制UMP合成酶(UMPS)活性和嘧啶合成。PDH,丙酮酸脱氢酶;GDH,谷氨酸脱氢酶;CPS1,氨基甲酰磷酸合成酶-1;OMP,奥洛替丁单磷酸盐;4F2hc,4F2细胞表面抗原重链。
 
肿瘤除了葡萄糖和乳酸外,还需要大量的燃料,如脂肪酸、氨基酸和蛋白质,其中,谷氨酰胺在癌症中的研究尤其广泛。谷氨酰胺由谷氨酰胺酶(GLS)在谷氨酰胺分解过程中转化为谷氨酸和氨,谷氨酸在支持生物量生产、促进氧化还原稳态和调节信号通路方面具有重要作用,例如,谷氨酸可以用于许多癌症中产生天冬氨酸,这使得电子传递链严重失调的癌细胞得以增殖,但是天冬氨酸在肿瘤中的作用是有限的,它的缺乏会损害蛋白质和核苷酸的合成,因此,天冬氨酸可用性可以作为靶向治疗。
谷氨酰胺分解还产生代谢副产物氨,研究者对它的研究相对较少,但它正在成为一种重要的代谢物。根据乳酸研究的发现,高水平的氨在TME内积累,并已显示通过谷氨酸脱氢酶的再循环支持雌激素受体阳性乳腺癌的氨基酸产生,从而产生谷氨酸和下游氨基酸(2);在KRAS/LKB1肺癌中氨甲酰磷酸合成酶-1也可以利用氨,从而维持嘧啶库和DNA合成45(2),因此,氨可以通过多种机制促进肿瘤细胞的生长。总之,这些研究表明,癌细胞在本质上重新布线燃料利用,从而发展代谢灵活性,以满足其能量和生物量的需求。

1.2 肿瘤细胞的代谢适应

因为肿瘤的生长和生存非常依赖于代谢物,所以它们进化出了一种机制来适应环境中营养成分的变化。这种癌细胞对TME的快速代谢适应突出了在适当的和生理营养背景下研究肿瘤生物学的重要性。
因此,一些研究集中于了解主要碳源(如葡萄糖和谷氨酰胺)的水平如何影响代谢重编程,并最终影响癌症的增殖和生存。在这方面,二甲双胍在低糖条件下治疗癌细胞,是通过降低体内和体外ATP水平来促进癌细胞死亡的;此外,高葡萄糖浓度已经被发现掩盖了线粒体活性和对OXPHOS抑制剂(如双胍类)的敏感性;RAS驱动的NSCLC在体外高谷氨酰胺条件下通过谷氨酰胺分解维持OXPHOS,而同样的细胞在体内通过葡萄糖依赖的丙酮酸脱氢酶和PC活性促进线粒体代谢;此外,尽管谷氨酰胺酶抑制已被确定为一种可行的治疗方法来阻止培养细胞的增殖,但大多数抑制剂尚未被发现在体内癌症模型中提供治疗益处,谷氨酰胺成瘾已被证明依赖于局部的胱氨酸水平。由于反向转运蛋白xCT/SLC7A11介导谷氨酸和胱氨酸穿过质膜的运输,胱氨酸影响谷氨酸分泌和谷氨酰胺分解代谢,体内低水平的胱氨酸又使癌细胞对谷氨酰胺的依赖性降低(2)。这些变化可能对体内肿瘤的生存和增殖有影响,因为低谷氨酰胺条件可能损害DNA损伤后的癌细胞生存。总的来说,这些研究表明,细胞培养条件的调节极大地影响了细胞特性,并概括了与动物模型观察结果一致的代谢依赖性。
根据这些观察,类血浆培养基的发展导致发现了与体内有关的意想不到的碳和氮源,例如,标准培养基中通常不存在的高浓度尿酸会抑制UMP合酶和嘧啶的合成,从而使癌细胞对化学治疗剂5-fluorouracil更加敏感(图2),而标准培养基中的超生理性丙酮酸和精氨酸水平可稳定低氧诱导因子1-α依赖性转录程序,并逆转由精氨酸琥珀酸裂合酶催化的尿素循环反应。值得注意的是,这些细胞过程在生理营养条件下培养的细胞中没有重现。总之,这些研究表明,生理代谢物水平可以确定新的漏洞,而使用标准培养基很难发现这些漏洞。
除调节代谢物水平外,细胞培养系统还可用于概括体内重要的独特而独特的癌细胞细胞表型。尽管许多见解基于二维(2D)单层细胞培养,但一些研究表明,三维(3D)类器官培养物具有生理相关性:2D培养物促进增殖,而3D培养物中的细胞显示迁移和侵袭表型;而且,使用3D培养系统已将脯氨酸和丙酮酸确定为肺转移所必需的关键代谢产物;最后,将3D有机型培养系统用作测量增生和静止上皮细胞之间代谢差异的模型,增殖细胞使用谷氨酸产生不需要的氨基酸,而静止细胞则上调谷氨酸脱氢酶的表达。值得注意的是,癌症表型的完全概括也需要生理代谢物水平,例如,与非生理条件相比,在生理条件下培养的乳腺癌球体可以更好地概括乳腺肿瘤的代谢特征。
总之,肿瘤表型由局部环境的代谢产物组成。能够概括生理代谢物条件的新型培养系统以及定量体内细胞代谢的新型方法,是研究代谢对TME适应性的关键。

2.  TME中细胞间的代谢交叉

TME既有癌细胞,也有非癌细胞,它们都可能受到局部代谢产物的影响。在这个生态位内多种细胞类型的接近引发了一个问题:附近非癌细胞的代谢如何影响癌细胞在TME中的代谢和生长?本节描述了TME对癌细胞和周围免疫细胞或基质细胞之间交叉的影响。

2.1 T细胞和肿瘤细胞

TME包括一个复杂的免疫细胞环境,包括先天免疫应答细胞(如自然杀伤(NK)细胞、巨噬细胞和树突状细胞)和参与适应性免疫应答的细胞(CD8+CD4+ T细胞)。而NK细胞和CD8+ T细胞被归类为细胞毒性淋巴细胞,CD4+ T细胞支持(例如,1型和17型辅助T细胞(分别为TH1TH17细胞))或抑制(调节性T细胞(Treg细胞))其他免疫细胞的活性,包括CD8+ T细胞。细胞毒性CD8+ T细胞在识别肿瘤相关抗原后,通过特异性杀伤肿瘤细胞提供了对肿瘤进展的自然防御,因此,研究人员现在的目标是利用T细胞通过增强过继转移T细胞的反应来治疗癌症。
在过去的十年中,代谢途径已经成为决定T细胞命运,功能和分化的调节剂。当T细胞与抗原相互作用并通过T细胞受体(TCR)诱导信号传导时,会引发一系列级联事件,从而触发快速的代谢重塑,而这些新陈代谢可以直接改变免疫细胞的命运和功能,因此,将代谢途径和对代谢物可利用性的响应作为调节手段,可能对T细胞活性产生深远影响。由于T细胞和肿瘤细胞都依赖于代谢,因此确定免疫细胞和癌症的代谢之间的相似性和差异对于辨别TME中潜在的代谢串扰或竞争很重要。这种机制的见解可能揭示了在最大程度提高抗肿瘤免疫力的同时抑制肿瘤生长的新策略。

2.2 T细胞和癌细胞在TME内争夺葡萄糖

高度增殖的活化T细胞和癌细胞都严重依赖葡萄糖代谢,由于某些糖酵解性肿瘤的CD8 +T细胞浸润和增殖非常低,因此限制TME中葡萄糖的可用性会引起细胞竞争。糖酵解通过维持干扰素γ(IFNγ)的产生,在促进效应T细胞(Teff细胞)功能方面也很重要。从机理上讲,糖酵解酶3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)结合细胞因子信使RNA3'非翻译区中的富AU区域,并降低其蛋白质翻译;但是,另一项研究证明了乳酸脱氢酶A可以维持高水平的乙酰辅酶A,进而调节Ifng基因的组蛋白乙酰化和转录,而与其3'非翻译区无关。除了GAPDH,低水平的葡萄糖还通过调节哺乳动物雷帕霉素靶标(mTOR)损害T细胞功能。mTOR活性降低和核糖体蛋白S6激酶beta-1p70S6K)的磷酸化在CD8 + T细胞中的转录水平上降低了IFNγ。葡萄糖剥夺不仅抑制T细胞增殖和功能,而且调节T细胞命运,例如,CD4 + T细胞使用葡萄糖来维持糖酵解中间体磷酸烯醇丙酮酸的产生,该产物可恢复转录因子NFAT的信号传导并支持抗肿瘤反应。最后,除葡萄糖限制外,通过抑制增殖和细胞因子的产生,糖酵解产物乳酸的积累对Teff细胞功能和抗肿瘤反应也有害(图3);此外,乳酸盐在B16黑色素瘤肿瘤中的蓄积在体外和体内强烈损害CD8 +T细胞和NK细胞的浸润和活性。

图3 TME中肿瘤细胞和免疫细胞或基质细胞之间的代谢交叉
TME的代谢产物组成是由基质细胞和免疫细胞形成的,与肿瘤细胞相比,每一种细胞都有独特的代谢特征、依赖性和脆弱性。在TME中,T细胞(蓝色),巨噬细胞(红色)和基质细胞(绿色)与肿瘤细胞(浅蓝色)的代谢相互作用被描绘出来。黄色箭头表示上调。VEGF,血管内皮生长因子;LDHA,乳酸脱氢酶A;醋酸,乙酰基;ACSS2,酰基辅酶A合成酶短链家族成员2;阿尔,芳基羟基碳受体。
 
尽管葡萄糖和乳酸水平很重要,但T细胞似乎表现出一定程度的代谢灵活性。在葡萄糖水平低的TME中,CD8 + T细胞上调脂肪酸分解代谢,从而为保持其效应子功能提供能量。重要的是,研究人员已发现通过使用过氧化物酶体增殖物激活的受体激动剂来进行脂肪酸分解代谢的药理学活化作用,可在这种不利的环境中增强T细胞功能,并与免疫疗法协同作用,从而延迟肿瘤的生长;此外,乙酸盐可以通过依赖于乙酰辅酶A合成酶的方式促进组蛋白乙酰化和染色质可及性来拯救葡萄糖限制性T细胞中的IFNγ产生(图3)。因此,这些研究表明,代谢靶标可用于在代谢不利的环境中拯救T细胞功能。

2.3 T细胞和癌细胞在TME内竞争氨基酸

除葡萄糖作用外,研究人员还发现了氨基酸可驱动和促进T细胞功能和分化,例如,需要谷氨酰胺摄取和分解代谢来维持T细胞活化,并通过调节细胞内α-酮戊二酸水平来调节CD4 + T细胞向TH1Treg表型的分化。有趣的是,尽管GLS缺乏会损害T细胞活化和TH17分化,但同时会增强TH1CD8 + Teff细胞的功能。此外,研究者对体内黑色素瘤模型中活化T细胞的动态蛋白质组学和代谢组学分析发现,L-精氨酸是一种关键的代谢物,可诱导OXPHOS,促进T细胞生存,并产生具有强抗肿瘤活性的中央记忆样T细胞(3)。最后,追踪研究发现蛋氨酸代谢为维持TH17细胞增殖和细胞因子产生所需的表观遗传适应提供了动力。
因此,氨基酸可用性对免疫细胞命运和功能的特定影响表明,通过控制氨基酸水平可以在TME中进行免疫调节。确实,如前一部分中对葡萄糖所述,精氨酸的摄取和分解代谢主要发生在实体肿瘤(例如黑素瘤和卵巢癌)细胞,随后相邻的免疫细胞进行相互竞争。这种竞争的平衡与氨基酸转运蛋白和代谢酶的表达和活性有关,氨基酸转运蛋白和代谢酶是代谢物吸收和转化的限速因子,例如,在白血病中,抗原激活的T细胞上调了Scl7a5转运蛋白,该转运蛋白可同时携带mTOR激活的蛋氨酸和亮氨酸(图3)。确实,这些营养素的缺乏和转运蛋白的表达受限都严重损害了CD4 +CD8 + T细胞的活性。根据这些发现,许多肿瘤,包括黑色素瘤、胰腺导管腺癌(PDAC)和卵巢癌,都表现出吲哚胺2,3-双加氧酶(IDO)的高表达,而这种酶对色氨酸的分解代谢很重要。IDO活性可以促进TME对色氨酸的摄取,并产生一种色氨酸进口的抑制剂——kynurenine。因此,色氨酸的缺乏和kynurenine的积累都可以抑制T细胞的激活并促进Treg表型(3)
在几种肿瘤模型中癌细胞似乎比免疫细胞更具竞争力,它可以通过调节氨基酸分解代谢增强免疫细胞功能。有趣的是,最近的一项研究确实描述了在MC38结肠癌模型中,谷氨酰胺分解代谢的药理调节对T细胞和癌细胞行为的影响。在本研究中,研究者使用谷氨酰胺拮抗剂6-重氮-5-- l -去亮氨酸抑制谷氨酰胺代谢,阻断了肿瘤细胞的糖酵解和氧化代谢,但促使Teff细胞从谷氨酰胺驱动的氧化代谢向葡萄糖驱动的氧化代谢转变。由于此反应能够增强Teff细胞的杀伤力,因此研究者发现谷氨酰胺分解代谢的调节可改变平衡,而有利于TME中的T细胞功能。
总之,TME中的代谢物限制和组成为抗肿瘤免疫力提供了额外的机会,这可能会随肿瘤类型而变化,并且必须克服长期的TCR信号传导,这最终会导致T细胞衰竭。因此,基于临床相关小鼠模型,T细胞工程学和单细胞分析的未来研究对于克服这些局限性并帮助阐明改善免疫疗法策略的机制至关重要。

2.4 巨噬细胞和肿瘤细胞

肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)具有独特的表型,而M1巨噬细胞具有促炎(抗肿瘤)功能,M2巨噬细胞具有抗炎(原瘤)功能。这两种状态的特征是不同的标记和基因表达。研究表明,TAMsM1M2表型的极化是由环境因素驱动的,如细胞因子、趋化因子和其他由邻近细胞分泌的可溶性因子。TAM的极化也可以由遗传背景决定。而在肝星状细胞中p53的诱导驱动M1极化,p53的缺乏则诱导M2状态。最后,细胞代谢已经被证实可以控制TAM的极化,从而决定肿瘤前期和抗肿瘤反应。
T细胞一样,TAMs与它们的邻近细胞竞争葡萄糖,TAMs中的糖酵解活性主要与肿瘤消退有关;因此,GAPDH活性在人M2TAMs中低于M1TAMs。此外,缺氧的TAMs升高了mTOR负调控因子REDD1的表达,从而导致糖酵解作用减弱。有趣的是,在葡萄糖利用方面,REDD1基因敲除的TAMs胜过内皮细胞,从而促进肿瘤血管正常化,削弱转移性扩散。相比之下,用来自PDAC细胞系的条件培养基培养人类单核细胞可促进具有高糖酵解活性和增加转移潜能的TAMs的形成。糖酵解抑制了这种作用,因此表明癌细胞形成的营养环境在表型和功能上影响TAM的行为。
肿瘤细胞产生的乳酸在信号传递和TAM极化中具有重要作用,即乳酸通过稳定缺氧诱导因子1-α和激活G蛋白偶联受体132 (GPR132)诱导血管内皮生长因子,从而促进原瘤M2表型和促进乳腺癌转移(3)。最近的研究表明,乳酸直接促进细菌攻击的M1巨噬细胞的表观遗传修饰,这种现象被称为组蛋白乳糖化,诱导了与稳态有关的基因的表达。由于TME中乳酸水平较高,需要进一步研究来阐明组蛋白乳糖化在肿瘤细胞和巨噬细胞之间的交叉中的作用。
TAMs中的谷氨酰胺代谢需要α-酮戊二酸,α-酮戊二酸促进脂肪酸氧化和M2基因的表观遗传激活;此外,谷氨酰胺合成酶(GS)的表达和活性在M2表现型中升高,并在饥饿条件下尤其显著。抑制巨噬细胞GS活性可促进M2表现型向M1表现型的转换,并最终防止转移性扩散(3)。有趣的是,从原瘤表现型向抗肿瘤表现型的转换也允许血管正常化和细胞毒性T细胞的积累。
TAM表达色氨酸分解酶IDO,该酶触发THP-1细胞的M2极化。IDO的基因缺失促进了M1抗肿瘤表型并增强了T细胞反应(图3)。靶向TAM可以间接影响PDAC对化学疗法的反应,即TAM分泌嘧啶类物质,比如脱氧胞苷,它们在分子上抑制吉西他滨治疗,因此,调节代谢位中一种细胞类型的代谢直接或间接影响不同的细胞群。
总之,这些研究定义了M1M2的不同代谢特征,M2的代谢特征与癌细胞相似,因此,靶向特定代谢通路可能被双重机制所利用,通过促进M1发挥抗肿瘤作用,直接或间接地抑制肿瘤生长。

2.5 基质细胞和肿瘤细胞

像免疫细胞一样,基质细胞相互作用并调节肿瘤细胞的行为,TME中的基质细胞有助于ECM的重构、迁移、侵袭和逃避免疫监视。一些研究已经强调了细胞代谢和局部营养成分在维持这些细胞过程中的重要性。与肿瘤相关的基质细胞来自不同类型的细胞,这些细胞会产生与癌症相关的成纤维细胞(CAFs)、癌症相关的脂肪细胞或癌症相关的内皮细胞,其中,CAFsTME中最丰富的细胞群。
CAF与肿瘤细胞之间的代谢串扰通常称为反向Warburg效应,其中从CAF分泌的代谢产物被用作邻近肿瘤细胞的燃料。 CAF参与有氧糖酵解并分泌乳酸,从而促进癌细胞的代谢,此外,CAF的特征还在于谷氨酰胺合成代谢的增加。谷氨酰胺在TME中分泌,并被癌细胞消耗,从而使它们能够维持核苷酸生成和OXPHOS(图3)。值得注意的是,在卵巢癌小鼠模型中,研究者已发现肿瘤细胞中CAFsGLSGS的联合抑制可降低肿瘤的生长和转移。
PDAC中,与基质相关的胰腺星状细胞分泌通过自噬产生的丙氨酸,当葡萄糖受到限制时,PDAC细胞可以用作丙酮酸的替代来源,以补充OHPHOS(图3);另外,胰腺星状细胞分泌溶血磷脂酰胆碱,其支持PDAC细胞产生磷脂酰胆碱,通过支持细胞膜合成和溶血磷脂酸的生产,磷脂酰胆碱支持PDAC的生长和迁移。CAF还分泌天冬氨酸,从而促进核苷酸在多种肿瘤中的生物合成和增殖(图3),而癌细胞分泌的谷氨酸可以促进谷胱甘肽(GSH)的产生,从而维持CAF中的氧化还原平衡和ECM重塑。此外,已有研究显示卵巢癌细胞和子宫内膜癌细胞消耗脂肪基质细胞分泌的精氨酸并将其转化为瓜氨酸和一氧化氮,其中,瓜氨酸可增强脂肪基质细胞的脂肪生成,而一氧化氮可降低氧化应激并促进癌细胞中的糖酵解。
CAFs不仅通过TME中代谢产物的局部调节影响肿瘤代谢,而且更直接地支持肿瘤细胞。研究发现,由咖啡因衍生的外泌体可直接向胰腺癌和前列腺癌细胞提供氨基酸、脂类和三羧酸(TCA)中间体,从而使细胞维持中心碳代谢;此外,基质细胞产生大分子,如胶原蛋白。在营养受限的条件下,PDAC肿瘤已被证明能够分解环境胶原蛋白并消耗脯氨酸,从而维持三羧酸循环,并通过脯氨酸脱氢酶介导的脯氨酸分解代谢(3)维持生长。
综上所述,这些研究表明CAFs与肿瘤细胞之间的代谢交换是双向的。这种交换也可能被邻近的细胞破坏:在卵巢癌中,CAFs为癌细胞提供半胱氨酸以产生谷胱甘肽,从而使其对铂类化疗药物产生耐药性。值得注意的是,CD8+T细胞通过IFNγ的产生消除这种耐药性,IFNγ通过JAK/STAT1信号通路抑制CAFs中的xCT胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白。
总之,基质细胞和肿瘤细胞具有紧密的代谢相互作用,这取决于TME中代谢物的缺乏;但是,这些代谢相互作用是否也影响免疫细胞尚不清楚。因此,需要针对TME内基质细胞与免疫细胞之间的代谢串扰的未来研究来确定基质细胞分泌的代谢物是否会有益于邻近的免疫系统。

3.   解剖部位在TME代谢中的作用

人体器官系统由不同的表观遗传调控、基因表达、蛋白质组和代谢组定义,所有这些都有助于组织功能和机体健康。组织特异性代谢物组成也依赖于外在因素、营养状况和需求,以及与循环交换代谢物的能力。因此,考虑组织和循环代谢在TME中的作用是重要的。

3.1 器官特定代谢物组成
   

不同的器官系统有不同的基因表达、蛋白质组学和代谢谱。这种组织代谢的差异表明,不同器官的癌症可能有不同的代谢依赖。对22种不同的人类肿瘤的转录组分析表明,代谢基因表达程序仍然更类似于起源组织,而不是来自不同组织的其他肿瘤。事实上,尽管癌细胞的特征是基因表达的改变,但某些组织特异性的模式仍然存在;此外,家族性琥珀酸脱氢酶和富马酸水合酶等癌蛋白只在特定组织中诱发癌症,因此表明起源组织定义了突变外显;然而,肿瘤细胞的代谢可以最高效率地利用局部代谢物组成。早期PDACNSCLC肿瘤的特征都是蛋白质分解增加和分支链氨基酸(BCAA)的释放;然而,晚期NSCLC上调BCAA分解酶,并严重依赖于BCAA分解代谢,而晚期PDAC肿瘤对BCAA抑制不敏感,严重依赖于渗漏血管系统释放的蛋白。

比较同一来源肿瘤的原发性和转移性病变,组织和局部微环境对肿瘤代谢和行为的影响是最强的证据。尽管原发性乳腺癌依赖于谷氨酰胺过剩,但是肺转移利用富含丙酮酸的肺环境来增加PC活性(图4)。在肺环境中,这种适应作用可促进已建立的转移灶的增殖,并且对于ECM重塑以及随后的过渡至大转移阶段至关重要,另外,在脑转移中也有类似的观察,而研究者也已经发现脑转移瘤主要使用乙酸盐代替葡萄糖和谷氨酰胺来补充OXPHOS,并且它们的特征还在于通过PHGDH进行大量的从头丝氨酸生物合成,以应对大脑中丝氨酸和甘氨酸的缺乏(图 4)。根据这些发现,一些研究强调了结肠直肠癌(CR)转移到肝脏所需的代谢重编程的作用,与原发性CR相比,肝转移的特点是脑型肌酸激酶(CKB)的高表达,CKB在细胞外空间释放并产生磷酸肌酸,磷酸肌酸被转运体SLC6A8占据并用来产生ATP,特别是靶向CKB会损害结肠癌转移的形成,这表明这种代谢适应对肝脏生态位是至关重要的。此外,转移性CR细胞上调糖异生酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1和肝脏和血细胞丙酮酸激酶PKLR,其中,磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1支持核苷酸的合成,而PKLR支持谷胱甘肽的合成;此外,针对这些途径特异性地损害了CR来源的转移。

4 器官间和肿瘤内微环境决定了肿瘤细胞的代谢特性
左图,乳腺原发肿瘤依赖葡萄糖和谷氨酰胺代谢,而转移性肿瘤使用丙酮酸(肺转移),丝氨酸和乙酸(脑转移)来维持三羧酸循环。右图,在同一个器官里,肿瘤可以在不同的部位生长。事实上,高灌注区域的肺癌细胞消耗葡萄糖来维持糖酵解和OXPHOS,而弱灌注区域的癌细胞依赖其他碳源。黄色箭头表示上调。
 
虽然这些研究已经证明肿瘤细胞在代谢上适应了体内存在的各种不同的生态位,但还需要进一步的研究来确定特定肿瘤和转移部位的代谢弱点。虽然已知转移和原发肿瘤之间的代谢差异与多步骤转移级联过程中遇到的不同细胞表型有关,但进一步比较不同器官已建立的转移的研究将有助于分离和更好地描述代谢性TME的具体作用。最后,这些研究可能会为肿瘤细胞在其最不利的环境中靶向转移提供新的策略。

3.2 肿瘤的位置和代谢异质性

在同一器官内,肿瘤可以在不同的部位生长,从而适应局部环境。灌注水平、不同的组织功能和细胞类型组成都有助于这种空间代谢异质性,例如,人类黑色素瘤和头颈部癌症的单细胞表达数据已经确认了糖酵解和线粒体代谢与所有细胞类型的局部氧浓度之间的强烈相关性。在小鼠胶质母细胞瘤异种移植中,与血管的接近清楚地定义了不同的代谢位,特别是血管周围肿瘤细胞表现出非常高的m-TOR依赖性的合成代谢和肿瘤发生增强。
实体肿瘤本身是代谢异质性的。葡萄糖NSCLC患者的跟踪研究表明,癌细胞消耗葡萄糖,从而维持糖酵解和OXPHOS,而细胞弱灌注地区依靠其他碳源(4)。有趣的是,这些代谢偏好已被发现独立于致癌驱动因素,如KRASEGFR,因此表明了代谢TME的主要影响。
氨基酸和碳水化合物也位于肿瘤内的特定区域。实际上,已有研究显示实体瘤包含谷氨酰胺中耗尽的核心区域,其可诱导高甲基化和去分化。研究者已经发现,在血管不良的区域中,氨基酸丝氨酸,天冬酰胺和天冬氨酸被消耗掉了;而在肾癌中,组织切片中的代谢示踪剂研究显示,其在肿瘤的不同代谢区域对代谢药物具有独特的敏感性,其中,丙酮酸转运蛋白的药理学抑制作用已显示出可大大降低小鼠自体肾肿瘤的肿瘤生长。
这些研究表明,即使在单个肿瘤中,代谢物的可用性和癌症代谢也会有很大的不同;然而,需要更多的研究来描述区域代谢异质性、差异营养分布和灌注之间的因果关系。

4.   系统代谢影响TME

考虑TME如何受到系统、机体代谢(由个体的整体代谢状态和饮食等环境因素所定义)的影响是至关重要的。与细胞代谢的知识相比,人们对系统的营养水平如何促进肿瘤或细胞在TME内的代谢偏好的了解较少。新的研究表明,饮食干预和激素信号调节都会影响局部新陈代谢;此外,考虑个体的代谢状态可能对精确治疗很重要。在本节中,作者将描述膳食干预全身代谢如何影响TME内癌变细胞和非癌变细胞的代谢产物组成和利用。
近年来,研究人员在癌症进展和治疗的背景下,研究了饮食中氨基酸组成的调节。在各种癌症中,丝氨酸和甘氨酸的限制已被发现导致丝氨酸生物合成、OXPHOS和活性氧产生的增加。有趣的是,缺乏p53的肿瘤被发现对这种调节特别敏感,因为它们无法抵消与活性氧物种增加相关的氧化应激。因此,研究者将丝氨酸和甘氨酸限制与增加活性氧的药物结合,已经发现可以有效协同和减少小鼠肿瘤的生长。值得注意的是,限制了丝氨酸/甘氨酸的饮食会导致循环丝氨酸水平降低50%,而小鼠则保持健康,但肿瘤的发生延迟。尽管限制丝氨酸/甘氨酸的饮食对肿瘤细胞有害,但是缺乏这些营养物质会强烈影响体内CD8 + T细胞反应,根据这些发现,限制丝氨酸/甘氨酸的饮食似乎对维持Treg细胞的抑制能力有益。GSH限制丝氨酸的利用和合成,从而保留Treg细胞功能,由于缺乏GSHT细胞与炎性疾病有关,因此在这些条件下,丝氨酸/甘氨酸限制饮食有利于支持Treg活性。这些研究表明了利用存在于不同癌症部位的独特代谢脆弱性的可能性;同时,由于蛋氨酸参与单碳代谢,饮食限制必需氨基酸蛋氨酸也被用于治疗。有趣的是,在人类身上进行的研究表明,减少饮食中蛋氨酸水平会引起系统代谢的变化,类似于在小鼠身上得到的变化,并改变癌症治疗的治疗结果。与限制丝氨酸/甘氨酸的饮食类似,限制蛋氨酸的饮食也会影响身体的免疫区;此外,另一项研究将天冬酰胺的限制与抑制乳腺癌转移而不影响原发肿瘤联系起来。最后,全面的热量限制不仅降低了血浆和肿瘤组织液中脂质的可用性,而且重塑了PDAC的脂代谢,并抑制了酶硬脂酰辅酶a去饱和酶的活性,从而通过毒性饱和脂质的积累来抑制PDAC的进展。
有趣的是,饮食干预可以与更传统的药理学方法协同作用。最近的一项研究表明,磷酸肌醇3-激酶(PI3K)抑制可诱导系统性葡萄糖胰岛素反馈,这可能重新激活肿瘤中的PI3K mTOR信号轴。因此,通过一种旨在抑制这种反馈的生酮饮食治疗,PI3K抑制剂的疗效显著提高;此外,研究发现,在白血病小鼠模型中,膳食中添加氨基酸组氨酸可以增强组氨酸分解代谢和对甲氨喋呤的敏感性;最后,饮食摄入可以与寄生在身体上的微生物群落合作,影响代谢物的可用性。
肠道微生物组产生一组特定的微生物代谢物,可以通过饮食改变,并最终影响癌细胞的代谢;例如,膳食中的烟酰胺和烟酰胺核苷可被肠道微生物群用于促进宿主细胞内的NAD生物合成,并使其对NAD磷酸核糖转移酶(NAD-生物合成途径中的限速酶)抑制剂产生耐药性;此外,微生物组具有强大的免疫调节作用,显著影响免疫治疗策略。
总之,这些观察结果表明,系统代谢影响TME代谢物质的可用性,尽管还需要进一步的研究来确定膳食干预是否可以利用肿瘤代谢脆弱性;此外,这些发现表明了解与生理变化相关的全身代谢如何影响TME代谢的重要性,例如,衰老或肥胖如何影响TME代谢,而对这些条件下的异质性和代谢交叉作用进行剖析将是未来研究的重点。

5.   以代谢为靶点的癌症治疗

历史上,靶向代谢一直是开发有效的癌症治疗方法中最成功的方法之一。正电子发射断层摄影术已成为肿瘤可视化和葡萄糖摄取成像的标准成像工具,而抗代谢药物治疗,如甲氨蝶呤,是最古老的,也是目前最有效的化疗疗法之一。因此,加深对于癌症的代谢适应、局部、器官和系统输入的了解有望开发新的和高度特异性的靶点。的确,在其代谢位内对癌症代谢建模将有益于开发更专一的肿瘤治疗方法,并使肿瘤能够根据代谢易感性进行分类;此外,对TME共同存在的其他细胞类型的代谢反应进行建模,也将使科学家能够开发其他疗法来调节支持性免疫细胞。因此,在本部分中,作者将描述肿瘤,基质和免疫细胞对局部营养水平的代谢适应如何影响癌症治疗并为其提供新的机会。
脂肪酸转运蛋白CD36介导脂肪酸代谢并促进卵巢癌的进展和转移,而CD36的抑制会损害肿瘤的生长,也会阻止M2巨噬细胞的极化,表明使用这种转运蛋白的抑制剂来治疗卵巢癌具有双重益处,但许多旨在靶向肿瘤细胞的药物也会引起附带损害,从而损害免疫细胞的功能。尽管已显示糖酵解抑制剂会影响肿瘤细胞的生长,但它们也可消除癌细胞的免疫监视。 MCT1 / 2乳酸转运蛋白的抑制剂(AZD3965)处于针对实体瘤和大型B细胞淋巴瘤的I期临床试验中。然而,对该转运蛋白的抑制也对T细胞增殖具有有害作用。叶酸代谢对于将一碳单元转移到包括核苷酸合成在内的生物合成过程中非常重要。值得注意的是,诸如甲氨蝶呤的抗叶酸剂被广泛用于治疗癌症。最近的研究表明,CD4 +CD8 + T细胞都需要一碳代谢才能增殖和存活,因此表明抗叶酸治疗可能会对免疫系统产生严重的不良影响。
有趣的是,某些药物似乎在阻止肿瘤生长方面与免疫疗法协同作用,例如,用PKM2激活剂治疗会降低肿瘤中PD-L1的表达,因此可以与检查点抑制剂协同作用。另外,PFKB3抑制剂靶向抗原CTLA-4,因此促进了免疫反应;同样,PKM2激活剂可增强磷酸烯醇丙酮酸向丙酮酸的转化并减少肿瘤细胞的增殖,因此,PFKB3抑制剂和PKM2激活剂都是抑制肿瘤生长并同时增强T细胞功能的有价值的候选药物。
目前需要更多的研究来更好地确定雷帕霉素和二甲双胍对免疫功能的影响。雷帕霉素治疗可以有效抑制肿瘤细胞增殖,但其对免疫系统的影响存在争议。虽然这种药物减少Teff细胞的增殖,促进Treg细胞的扩张,它也增强了记忆T细胞的反应,而记忆T细胞可以渗透实体肿瘤并与免疫疗法协同作用,从而实现抗肿瘤反应。最后,二甲双胍抑制癌细胞增殖的过程可能是免疫介导的,因为二甲双胍改善了体内T细胞的功能。
治疗性改变TME细胞行为的另一种方法是使用嵌合抗原受体(CAR) T细胞。第二代和第三代CAR - T细胞激活TCR信号和共刺激,与环境中存在的细胞因子一起,允许功能性T细胞表型。最近,第四代CAR - T细胞被进一步转基因以应对TME带来的挑战,例如,CAR - T细胞表达肝素酶,降解ECM,增强T细胞浸润和肿瘤消退,这些例子表明TME的代谢状况在影响药物敏感性方面有重要作用。

6.   突出的问题和总结

肿瘤代谢领域在描述细胞内在因素对肿瘤细胞代谢活动的影响方面取得了很大进展。本篇文章提出的观点确定了TME内代谢生态位的主要贡献者。有趣的是,所有这些研究证实了细胞代谢适应于局部代谢物的利用。更好地理解肿瘤细胞与免疫细胞或基质细胞之间不同的代谢依赖关系,可以为代谢疗法提供一个独特的治疗视角。此外,科学家必须研究这些在生理相关环境下的相互作用,并考虑个体在将代谢目标转化为治疗时的系统代谢状态的影响。总之,本文强调了更好地理解代谢生态位和细胞异质性在决定癌细胞代谢表型中的作用的必要性。
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