Nat Cancer | 美国加州大学：肿瘤巨噬细胞通过摄取精氨酸促进肿瘤纤维化促进免疫抑制

内容要点：

在纤维化乳腺癌中，肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）通过自分泌TGFβ信号，促进其对精氨酸的摄取，从而促进其胶原蛋白合成，进一步加剧肿瘤纤维化。

肿瘤纤维化是指肿瘤细胞及周围的纤维细胞等过度分泌胶原蛋白到细胞外基质（ECM）中，形成坚硬的基质壁垒。这会从物理上阻止CD8 T细胞的浸润，因此，纤维化肿瘤一般对免疫检查点抑制剂的治疗不敏感。肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）向来在肿瘤免疫抑制中扮演着重要的角色，至于是否会调节肿瘤纤维化尚不清楚。来自加州大学旧金山分校的研究团队便探索了该科学问题。

为了明确TAMs与肿瘤纤维化之间是否存在密切联系，研究人员使用了一个叫做MMTV-PyMT乳腺肿瘤小鼠模型。该模型小鼠在6-8周内会形成乳腺肿瘤，从8周增长至11周，肿瘤间质会逐渐纤维化而变硬。然后，他们检查了8周和11周小鼠肿瘤TAMs的变化。结果显示，随着肿瘤纤维化程度增高，表达CD11b/CD11c的TAMs的比例发生了明显变化。为了进一步证明TAMs与间质纤维化的关系，他们又使用β-氨基丙酮（BAPN）干扰了小鼠肿瘤胶原纤维的交联过程，旨在降低纤维化程度。结果显示，BAPN 处理的肿瘤，TAMs 表达的胶原蛋白水平较低，尤其是在肿瘤-基质边界。也就是说，TAMs能够感受肿瘤间质纤维化程度，并做出响应。

纤维化程度越高TAMs产生胶原蛋白越少

显然，TAMs如果能“感受”间质纤维化变化程度，很有可能是通过胞外配体与膜受体结合激活某些通路来实现的。因此，研究人员通过对TAMs的RNA测序分析显示，纤维化肿瘤中，与白细胞介素-4（IL-4）信号转导相关、ECM胶原合成和重塑通路的基因表达增加。通过对这些基因的转录因子预测显示，这些基因的表达主要受到SMADs和SP1的调控，而这两种蛋白与TGFβ信号通路响应有关。据报道称，TAMs可以自分泌TGFβ信号以调节自身的功能。因此，他们利用骨髓源性巨噬细胞（BMDMs，TAMs前体）在体外不同硬度的基质上进行了培养。结果显示，当BMDMs在坚硬的“纤维胶原共轭聚丙烯酰胺凝胶”上培养时，BMDMs不仅产生了更高水平的活性TGFβ1 ，而且TGFβ下游的SMAD信号通路也得到增强。更重要的是，IL-4 和 TGFβ1 明显诱导了坚硬基质上培养的BMDMs胶原 VI 的表达。胶原 VI是ECM中胶原纤维的主要成分。当然，研究人员也在小鼠体内验证了该发现。在缺乏TGFβ信号通路的髓系细胞的小鼠模型中，肿瘤-TAMs间质边界以及整个肿瘤中，胶原VI和胶原XII的含量减少，且肿瘤重量降低，以及CD8 T细胞增加。由此可见，高度纤维化会导致TAMs建立自分泌TGFβ信号，从而促使自身合成并分泌胶原蛋白，进一步加剧间质纤维化，并阻止了CD8 T细胞浸润。

TAMs与白介素-4（IL-4）信号转导相关、ECM胶原合成和重塑通路相关

TGFβ信号控制TAMs胶原纤维合成分泌

TGFβ信号如何促进胶原蛋白合成的呢？答案可能是代谢物，因为蛋白质合成以氨基酸为原料。于是，研究人员发现，使用BAPN抑制肿瘤胶原纤维交联过程后，导致了肿瘤中精氨酸浓度提升了约4倍！那么精氨酸增加这一现象是否也受TGFβ信号控制呢？他们在硬或软基质上培养了BMDMs，并添加或不添加TGFβ加以诱导。结果显示，添加TGFβ促进了硬基质上BMDMs对精氨酸摄取和鸟氨酸外排。此外，研究人员在TGFβ信号缺陷的小鼠肿瘤中检测到鸟氨酸和脯氨酸水平显著降低。胶原蛋白由大量脯氨酸等构成，而脯氨酸可由鸟氨酸（精氨酸中间代谢物）或谷氨酰胺合成。所以，这些结果表明，TGFβ通过促进TAMs对精氨酸的摄取可能用于了脯氨酸合成，而且还产生了过量的鸟氨酸被分泌到细胞外基质。

TGFβ促进了TAMs对精氨酸的摄取和鸟氨酸分泌

那么被吸收的精氨酸真的就被用于脯氨酸合成吗？研究人员对BMDMs精氨酸基因进行了敲除，使其无法正常合成内源性精氨酸。然后，他们向培养基中添加了同位素标记（¹³C₆）精氨酸，并对其进行了追踪。他们发现，与精氨酸基因敲除细胞相比，细胞外硬基质和TGFβ信号协同增强了精氨酸用于脯氨酸合成的利用率，也就是来自精氨酸的¹³C₆更多出现在了脯氨酸中。通过量化，也清晰的观察到TGFβ信号促进了硬基质上BMDMs主要消耗的代谢物是精氨酸，而产生最多的是代谢物是脯氨酸和鸟氨酸。此外，谷氨酰胺也被观察到用于脯氨酸的形成，并参与了胶原纤维的合成，这也可能解释了为什么精氨酸产生的鸟氨酸会有剩余。也就是说，精氨酸被代谢生成鸟氨酸后，一部分合成了脯氨酸，用与胶原纤维合成，而多出部分的鸟氨酸则被释放到细胞外。

硬基质和TGFβ信号协同促进精氨酸代谢为脯氨酸

在肿瘤微环境中，释放出的鸟氨酸又对肿瘤免疫产生什么影响呢？研究人员发现，与其他膳食补充剂相比，鸟氨酸补充剂明显降低了激活的肿瘤浸润CD8 T细胞的比例以及其PD-1和CD69的表达水平。从鸟氨酸处理过的肿瘤中分离CD8 T细胞，发现它的增殖能力也明显减弱，这可能归咎于鸟氨酸限制了CD8 T细胞的能量代谢。此外，鸟氨酸的补充也限制了免疫检查点抑制剂的治疗效果。因此，这些被TAMs释放的鸟氨酸通过限制CD8 T功能促进免疫抑制。

鸟氨酸抑制CD8 T细胞

最后，作一个总结：在乳腺癌中，肿瘤纤维化会促进肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）自分泌TGFβ信号，促进其对精氨酸的摄取。随后，精氨酸在TAMs中被代谢生成鸟氨酸，一部分用于脯氨酸的合成，进而用于胶原纤维的合成，进一步加剧肿瘤纤维化程度，这在物理上隔绝了CD8 T细胞的浸润；另外一部分鸟氨酸被释放到微环境中，抑制了浸润性CD8 T的增殖等活力。

（论文链接：DOI: 10.1038/s43018-024-00775-4）