肿瘤浸润性T细胞代谢重组及功能的研究进展

蒋超，姜润秋

(南京大学医学院，江苏 南京 210093)

肿瘤微环境主要由肿瘤细胞，周围的免疫细胞和炎症细胞，肿瘤相关的成纤维细胞以及附近的间质组织和各种细胞因子、趋化因子等构成，其与肿瘤的发生、生长及转移有着密切的联系[1-2]。在肿瘤微环境中，肿瘤细胞和免疫细胞均可以通过代谢重组以适应低氧、酸性和低营养的微环境[3]。癌细胞本身的代谢旺盛导致肿瘤局部的营养缺乏，代谢产物积累。代谢物是除蛋白(如细胞及趋化因子)和核酸外，肿瘤细胞直接调控免疫细胞的另外一类物质，肿瘤通过代谢物的重构影响免疫细胞的代谢和正常的生理功能。

肿瘤浸润性淋巴细胞(tumor infiltrating lymphocytes，TILs)指离开血液并迁移到肿瘤区域的淋巴细胞，在癌症的早期阶段，免疫系统通过动员免疫细胞来攻击肿瘤。淋巴细胞具有识别和攻击肿瘤的能力，在所有的肿瘤浸润性免疫细胞中，肿瘤对于T细胞代谢及功能的调控最引人关注。因此，全面了解肿瘤免疫微环境，从而指导个体化免疫治疗，成为当下肿瘤免疫治疗的研究热点。

1 肿瘤浸润性T细胞的代谢重组

在过去的十年中，抗肿瘤免疫治疗为临床治疗癌症提供了可能性。然而，大多数患者并没有从免疫治疗中获益，可能是由于肿瘤微环境中营养物质以及免疫细胞代谢产物均可调控周围细胞的命运。此外，负性免疫检查点分子经常被肿瘤细胞利用来逃避免疫监视。目前，调控肿瘤环境中免疫细胞的代谢途径已成为肿瘤研究的热点之一[4-5]。

肿瘤浸润性T细胞因处于静止状态、激活状态下，其对能量的利用不同，而呈现出代谢模式的差异。研究发现，线粒体具有许多重要的细胞功能，包括氧化磷酸化与电子传输、活性氧的调控。线粒体通过生物发生、降解、高度动态的裂变和融合事件的平衡来维持上述各种功能，这些取决于肿瘤微环境和免疫细胞的需要[6-7]。T细胞必须精确地调节线粒体数量和功能，才能使T细胞氧化代谢过渡到糖酵解代谢的效应状态。体外实验和小鼠模型研究表明，效应T细胞中普遍存在点状线粒体，记忆T细胞线粒体内膜蛋白结构和融合改变形态有利于氧化磷酸化[6，8]。在肿瘤微环境中，不同的代谢模式和营养感应机制共同调控免疫细胞对营养物质的反应。

此外，肿瘤微环境中的非恶性细胞通过刺激和促进肿瘤细胞，在癌变的各个阶段发挥重要作用。肿瘤细胞的代谢失调将会进一步影响其细胞表面标志物的表达，从而干扰免疫监视。在肿瘤内部，免疫细胞为了履行其必要职能须在新陈代谢上适应这些微环境的变化[9-11]。深入了解肿瘤细胞和浸润性T细胞的代谢重组，阐明浸润性T细胞和肿瘤细胞代谢之间相互作用，将为后续开展肿瘤治疗提供理论依据。

1.1 肿瘤浸润T细胞的氨基酸代谢

氨基酸是蛋白质生物合成的基本组成部分，并参与其他代谢过程，同时，氨基酸代谢参与了T细胞活化过程。最新研究发现，谷氨酰胺激活CD38诱导T细胞活化，谷氨酰胺的消耗会阻碍细胞增殖和细胞因子的产生，T细胞激活诱导谷氨酰胺摄入大量增加，而且这种增加依赖于CD38[12-14]。以上研究结果表明，氨基酸在T细胞中的生物学功能可能成为今后免疫调节的新靶点。

有报道发现[15]，T细胞活化后L-精氨酸代谢通路活化，同时参与其代谢的精氨酸转运蛋白以及精氨酸酶2等都显著上调。细胞内L-精氨酸水平的增加可诱导活化的T细胞从糖酵解向线粒体氧化磷酸化的转换，进而促进T细胞的存活和增强记忆性T细胞数量。此外，在小鼠体内补充L-精氨酸，可以显著增加肿瘤浸润CD8+T细胞的存活能力，进而提高小鼠的抗肿瘤活性。Bian等[16]研究发现，肿瘤细胞摄取蛋氨酸的能力显著胜过T细胞，肿瘤细胞通过改变蛋氨酸水平进而损害CD8+T细胞功能，由此导致T细胞功能受损。通过蛋白质组学、代谢组学等数据进一步分析发现，肿瘤细胞通过限制蛋氨酸减少甲基供体，进而影响CD8+T细胞中组蛋白H3K79的甲基化程度以及信号转导途径[17]。以上这些研究提示，肿瘤微环境中氨基酸水平影响肿瘤细胞及激活的T细胞自身功能的发挥，因此，在研发肿瘤免疫治疗药物时，不能单纯靶向肿瘤微环境中的部分氨基酸代谢，这可能在杀伤肿瘤的同时抑制了T细胞的免疫功能。

1.2 肿瘤浸润T细胞的葡萄糖代谢

葡萄糖是肿瘤细胞最为依赖的营养物质，也是T细胞活化以及发挥功能所必需的重要能源物质[18]。肿瘤浸润T细胞中的有氧糖酵解代谢不仅是细胞能量所必需的，还有助于机体合成中间产物和信号转导。然而，启动T细胞有氧糖酵解的信号目前尚不清楚。Chang等[19]发现，在肿瘤微环境中，细胞通过竞争性摄取葡萄糖进而抑制肿瘤浸润T细胞的功能，即使在足够的肿瘤抗原供T细胞识别的情况下也是如此，肿瘤细胞对葡萄糖的大量摄取会影响T细胞的代谢模式进而抑制T细胞的雷帕霉素靶蛋白活性、糖酵解能力。

虽然人们几十年前就知道淋巴细胞在活化过程中进行有氧糖酵解，但直到最近才清楚哪些信号可能启动或维持这种代谢。有氧糖酵解是活化T细胞的代谢特征，与增强效应T细胞应答有关。在活化的T细胞中，乳酸脱氢酶A经诱导进行有氧糖酵解，其通过维持高浓度的乙酰辅酶A增强组蛋白乙酰化。这些发现进一步揭示了需氧糖酵解促进效应T细胞分化的表观遗传机制，并提示乳酸脱氢酶A可能是治疗自身炎症性疾病的靶点[20-21]。最近研究发现，在制备CD4+T细胞特异性脂联素及其受体条件缺陷小鼠过程中，脂联素受体1(adiponectin receptor 1，AdipoR1)在体外促进Th17细胞分化和诱导关节发育。此外，进一步研究发现，AdipoR1缺陷T细胞通过抑制T细胞中HIF-1α依赖的糖酵解降低Th17分化[22-24]。总之，这些研究发现了新的T细胞功能性的代谢检查点，肿瘤微环境中的浸润T细胞可以通过代谢重组发挥免疫应答，为肿瘤免疫治疗提供了一条研究思路。

1.3 肿瘤浸润T细胞与脂质代谢

最新研究发现[25-26]，肿瘤微环境中的脂质可招募周围的巨噬细胞浸润肿瘤组织，并抑制效应T细胞对肿瘤的攻击，同时，脂质代谢过程中的信号转导影响癌症的进展、治疗、复发和转移。肿瘤细胞在增殖过程中，其周围的脂肪组织可以释放激素、炎症因子等协同促进肿瘤的炎症环境。胆固醇是细胞膜表面的重要组成部分，细胞快速增殖需要大量的膜结构以及胆固醇合成。Yang等[27]发现，T细胞代谢通路中的胆固醇酯化酶ACAT1是调控肿瘤免疫应答的代谢检查点，抑制其活性可以大大增强CD8+T细胞的肿瘤杀伤能力。ACAT1经抑制后，杀伤性T细胞膜上的游离胆固醇水平提高，进而使得T细胞肿瘤抗原免疫应答变得更加高效。同时，该研究提出了一种基于胆固醇代谢调控的肿瘤免疫治疗新方法，开辟了肿瘤免疫治疗的一个全新领域。从中可发现，基于现有信号转导调控的肿瘤免疫治疗的手段只对部分患者有效，因此急需发展新的方法让更多的患者受益。

研究发现，T细胞浸润及其功能对于减缓肿瘤的生长和进展至关重要，而脂肪酸β-氧化和酮体代谢之间的平衡取决于缺氧的程度[28-29]。与CD4+T细胞亚型最相关的免疫抑制细胞是调节性T细胞(regulatory T cells,Tregs)，它抑制其他免疫细胞的活性，并且在肿瘤细胞的免疫逃逸中起重要作用。该亚群表达叉头状转录因子p3(forkhead boxp3，Foxp3)，它是Tregs发育和功能的主要调节因子，可以提高脂肪酸的摄取，Foxp3增强Tregs对脂毒性环境的抵抗力。

新兴研究已经开始评估代谢激活的肿瘤免疫细胞，这些细胞将会处理脂肪细胞中高脂质负荷[29-30]。因此，靶向肿瘤周围脂肪细胞以及脂质代谢通路成为近年来药物设计的新思路[31-32]。

2 肿瘤微环境中代谢紊乱对肿瘤浸润性T细胞功能的影响

研究发现，癌细胞代谢释放竞争性代谢物(R)-2-羟基戊二酸酯影响T细胞浸润。该代谢物通过抑制表观遗传的双加氧酶，进而影响CD4+和CD8+T细胞的受体信号转导，从而调控T细胞增殖。肿瘤微环境中K+含量增加，也会限制肿瘤浸润T细胞效应功能。肿瘤微环境内因乙酰辅酶A胞质水平下调，引起诱导活化T细胞的表观遗传重塑，进而导致肿瘤微环境中肿瘤浸润性T细胞功能异常[33-34]。这些现象表明，高钾浓度的短期效应T细胞在离体刺激后产生的肿瘤浸润性T细胞具有更高的体内持久性、多能性和肿瘤清除能力。研究发现[35-36]，在肿瘤微环境中葡萄糖和精氨酸的缺乏，将会严重限制肿瘤浸润T细胞的新陈代谢，进而限制M1型巨噬细胞的功能。据报道[37]，胰腺星状细胞可为肿瘤细胞提供丙氨酸，有学者也发现[38]，骨髓基质细胞能够提供半胱氨酸，以促进慢性淋巴细胞性白血病细胞的存活。因此通过肿瘤坏死和肿瘤微环境固有的代谢活性产生T细胞抑制性代谢产物，是肿瘤细胞逃避T细胞免疫监控的重要机制，上述研究说明了肿瘤微环境中代谢紊乱对肿瘤浸润性T细胞功能的影响。

3 结论与展望

近年来，肿瘤细胞与T细胞对葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和其他代谢物的摄取，仍是影响T细胞功能发挥的重要因素，因此，今后可以通过多种不同的策略提高免疫治疗的疗效，以明确肿瘤和免疫细胞代谢重组之间的关系。这些策略主要包括针对肿瘤代谢方案抑制生长和改变肿瘤微环境，肿瘤浸润T细胞代谢的体外药理学以及遗传重编程等，都将可能为细胞治疗提供一种新的途径。