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肿瘤的代谢重编程与免疫应答

 外科黄文斌 2023-03-05 发布于广东

只观察文章题目可以分析文章的两个关键词肿瘤的代谢重编程免疫应答,主要涉及的两种细胞类型是肿瘤细胞免疫细胞

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文章背景

(1)1个关键词:代谢重编程

文章提到肿瘤的抗肿瘤免疫应答存在一个假定的决定因素,即肿瘤细胞和免疫细胞代谢重编程过程具有一定重合。同时也强调了代谢重编程对于机体维持自身内稳态的稳定也具有十分重要的意义。

(2)1个新领域:Immunometabolism

主要的内容就是关于免疫系统和肿瘤都与代谢功能之间存在密切的联系。

(3)2种细胞类型:
- 肿瘤细胞:

特殊的糖代谢过程,这种过程被称为Warburg effect:肿瘤细胞即使在有氧的条件下,也倾向于以糖酵解为主要的代谢的过程。对于肿瘤细胞,文章也提到了肿瘤细胞的中心代谢通路存在异常调节过程。

- 免疫细胞:

文章提到了免疫细胞在免疫应答过程当中发挥特异性的免疫功能受微环境中特殊信号分子的影响这一特征。

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文章框架

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这篇文章主要分为以下的5个部分:
第1部分:分别总结了肿瘤细胞和免疫细胞的代谢特征。
第2部分:将文章涉及的两个主要细胞类型在营养竞争方面产生的关联进行了总结。
第3部分:关于肿瘤代谢重编程对于免疫细胞的影响。
第4部分:关于免疫细胞的代谢重编程过程对于抗肿瘤免疫的影响。
第5部分:关于靶向代谢重编程过程治疗肿瘤的代谢干预过程。

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文章难点

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已知的肿瘤细胞的代谢模式如下:肿瘤细胞主要通过糖酵解途径快速为自身生长提供ATP,也通过磷酸戊糖途径和三酸代谢途径为细胞的复制提供生物大分子。还会利用谷氨酰胺、丝氨酸、精氨酸、脂肪酸等物质促进自身的增殖。而肿瘤细胞的糖代谢过程主要包括线粒体中的糖酵解和三羧酸循环过程,即使在氧气充足的条件下,肿瘤细胞仍然优先利用糖酵解过程产生ATP,被称为有氧糖酵解。

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免疫细胞在静息状态下和活化状态下的能量利用是存在显著差异的。简单举例,比如初始T细胞的代谢基本是静止的,表现为零增殖,因此它只需要维持最基本的营养物质,和最低的生物合成,ATP的生成主要是由氧化磷酸化的过程产生。一旦外界刺激将其激活为效应T细胞,细胞则表现为代谢激活状态,营养吸收增加,积累蛋白质、脂质、核苷酸。因此探究免疫细胞的代谢重编程机制以及代谢对于免疫细胞功能的影响,有助于我们理解免疫应答的本质和调控机制。
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肿瘤微环境伴随着不同程度和类型的免疫细胞的浸润,此类免疫细胞与癌细胞一样需要TME当中的营养物质来支持它自身的增殖和分化。以葡萄糖为例,肿瘤细胞通过竞争性摄取葡萄糖而抑制肿瘤浸润性T细胞的功能,同时癌细胞的糖酵解活动也可能会限制肿瘤浸润性T细胞对葡萄糖的消耗,从而诱导T细胞的耗竭和免疫逃逸的发生。除此之外,肿瘤细胞和免疫细胞对于氨基酸、谷氨酰胺、脂肪酸等代谢产物或者生长因子的竞争性摄取,以及对于细胞表面相应转运体的表达,也同样会影响免疫细胞的功能。
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代谢产物主要包括乳酸脂肪酸,前列腺素和精氨酸等。举例说明,肿瘤微环境当中的乳酸、氨基酸的积累会影响免疫细胞的增殖功能和分化以及细胞因子的产生过程。而葡萄糖缺乏、乳酸丰富的肿瘤微环境会损害T细胞和NK细胞的功能,并使肿瘤相关巨噬细胞极化为一般的促肿瘤的M2样表型,从而导致抗肿瘤免疫反应抑制状态产生。同时肿瘤中的高胆固醇酯化率会损害免疫反应,肿瘤细胞和其他免疫调节细胞产生的前列腺素E2也会参与到抑制抗肿瘤反应的发生过程中。
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表观遗传修饰酶是在细胞内书写或擦除表观遗传印记所必需的底物,因此营养物质的可利用性和代谢途径的活性强烈影响着代谢酶的功能。举例说明,糖酵解途径中的三个限速酶己糖激酶II,磷酸果糖激酶I和丙酮酸激酶M2作为肝癌的标志,它通过多种的通路可以调节免疫逃逸。除糖酵解酶外胆固醇代谢和转运的相关酶类与细胞外核酸酶(CD39和CD73)均可以参与免疫耐受的形成过程中。
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左侧A图:多种因素可以诱导mTORC1的活化从而上调PDL-1的表达,抑制Treg细胞、NK细胞和T细胞的浸润;生长因子也可以诱导mTORC2的活化而增加AKT的表达,影响谷氨酰胺的代谢,引起免疫检查点抑制剂的耐药,促进肿瘤的生长和发展。
右侧B图:AMPK激活分别通过不同的通路促进脂肪酸和葡萄糖的摄取。分别促进线粒体中脂肪酸的氧化和氧化磷酸化过程,使细胞内的ATP水平升高,影响免疫细胞的功能,导致免疫抑制的发生。
腺苷信号通路:腺苷在组织损伤后数小时内浓度会显著增加。在缺氧组织和肿瘤微环境中,仍是如此。腺苷在肿瘤微环境当中的积累已经被证明其与细胞表面的腺苷2a受体结合可参与抑制多种免疫细胞的抗肿瘤功能的过程。
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我们已知的免疫细胞代谢模式可以分为以下三类:1.活化免疫细胞以类似Warburg effect方式代谢,不存在明显氧化磷酸化过程。2.效应T细胞中进行糖酵解过程。3.静息免疫细胞中进行三羧酸循环和氧化磷酸化过程。由图可知,处于不同激活状态或分化阶段的免疫细胞表现出不同的代谢模式。这种对代谢途径的主动选择使免疫细胞能够适应其功能需求。

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文章提到越来越多的证据表明,免疫检查点抑制剂也会影响T细胞的代谢适应性。例如:PD-1和CDLA-4受体会降低葡萄糖的摄取,抑制糖酵解过程,损害T细胞的活化过程,引起免疫抑制状态。阻断PD-1能够逆转肿瘤杀伤细胞中的葡萄糖限制作用,通过mTOR信号增强CD8 T细胞的葡萄糖内流和糖酵解过程,从而允许IFN-γ的产生,提高抗肿瘤其效应。也可以通过上调效应T细胞的共刺激免疫检查点、下调其抑制性免疫检查点,起到增强抗肿瘤反应的作用。
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免疫系统需要大量的能量和代谢中间产物来满足其生物合成的需要,从而完成细胞的增殖分化和效应功能的执行。这张图片显示的是免疫细胞代谢特征的不同以及免疫细胞与免疫细胞之间的相互作用对于免疫细胞功能的影响。例如:免疫细胞高表达葡萄糖转运蛋白、乳酸脱氢酶、环氧核酶等,使得葡萄糖和氨基酸从免疫微环境中耗竭,由于营养的限制,抗肿瘤的CD8 T细胞处于无能状态,导致免疫抑制。
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通过理解文章以上部分的内容,我们可以发现更好的理解影响癌细胞和免疫细胞代谢重编程过程的代谢干预手段可能会揭示新的治疗靶点。例如:在体外用PI3K抑制剂处理T细胞,可以导致分化程度较低的细胞在小鼠的体内的持久性和抗肿瘤活性得到改善。或使用PPARα激动剂增强代谢信号,可以使浸润性淋巴细胞即使在被剥夺了氧气和葡萄糖的条件下,仍保持高效的抗肿瘤活性。此外,雷帕霉素抑制mTOR通路可以抑制T淋巴细胞的活化和分化,具有较强的免疫抑制功能,而CD8 T细胞体外扩增的过程中抑制mTORC2-AKT信号或糖酵解却可以赋予细胞记忆表型并增强其抗肿瘤活性。

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文章总结

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这篇文章排除conclusion一共有如下5个方面:首先分别总结了肿瘤细胞和免疫细胞的代谢模式,其次分析了肿瘤细胞和免疫细胞之间的营养竞争关系,将本文涉及到的两种主要的细胞类型关联在一起,进而分别论述了肿瘤细胞和免疫细胞的代谢重编程过程所产生的效应,在得出了结论之后提及了靶向癌症或者免疫细胞的代谢过程协同抗肿瘤免疫的代谢干预手段,最后作者对得出的结论进行了总结。

借上述行文思路回顾这篇综述,我们可以发现:不仅肿瘤细胞的代谢编程过程影响免疫细胞的抗原呈递和识别,免疫细胞的代谢编程过程也会影响其自身的功能,最终导致肿瘤免疫性质的改变。靶向癌症或免疫细胞的代谢过程可以协同抗肿瘤免疫过程,因此了解和利用肿瘤细胞和免疫细胞的代谢串扰,有可能可以提高免疫治疗的低反应率。

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