代谢重编程介导肿瘤微环境免疫抑制的研究评述*

吴建春 钱俏红 方志红 骆莹滨 李雁

过去十年免疫疗法在肿瘤的治疗中取得了长足进步，成为继手术、化疗、放疗之后的第四种肿瘤治疗方法，为肿瘤的治疗模式带来了巨大变革。尤其在肺癌的治疗中，更是被列为晚期非小细胞肺癌的标准二线治疗。然而，大多数患者并不能从中获益，免疫治疗的总体有效率为10%～30%，同时不良反应较明显，存在超进展和假性进展等问题[1]。如何提高患者对免疫治疗的响应性，恢复或增强抗肿瘤免疫应答是目前亟待解决的热点问题。

近年大量的研究表明，代谢重编程介导的微环境免疫抑制是导致肿瘤免疫逃逸，限制免疫疗法疗效提高的瓶颈[2]。肿瘤微环境中低氧、营养匮乏等特征会导致肿瘤细胞和免疫细胞之间建立代谢竞争，同时不断累积有毒的代谢物，会对免疫反应产生负面影响；另一方面，肿瘤细胞的高代谢和较强的代谢适应性，进一步改变肿瘤微环境的代谢特征，给予浸润的免疫细胞以代谢压力，促进免疫抑制和免疫逃逸的发生。因此，肿瘤细胞代谢本身可以作为检查点限制免疫疗法[3]。目前利用靶向癌症代谢的小分子药物在与免疫疗法的联合试验中，体现了潜在的应用前景。本文着重对近年来基于代谢调控的肿瘤免疫逃逸和肿瘤免疫治疗相关研究进行评述，为提高肿瘤免疫治疗效果和推进肿瘤精准免疫治疗提供新的策略与方法。

1 肿瘤微环境是影响免疫治疗的重要因素

肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）是肿瘤细胞赖以生存的内环境，不仅包括肿瘤细胞本身，还包括周围的基质细胞、免疫细胞、炎症介质和细胞外基质等，是一个具有低氧、偏酸性、高渗透等理化特征的复杂系统[4]。免疫疗法的成功有赖于机体免疫系统的激活，效应细胞的扩增，活化的效应细胞浸润至肿瘤组织并破坏肿瘤细胞。然而，TME中存在多种免疫抑制细胞，如调节性T细胞（regulatory T cell，Treg）、肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophage，TAM）、髓源性抑制细胞（myeloid-derived suppressor cell，MDSC），大量的免疫抑制因子，各种毒性代谢物以及乏氧等，这些综合因素常相互交织阻碍效应淋巴细胞致敏，降低其浸润能力，并抑制浸润的效应细胞，影响抗原的提呈和识别，导致免疫监视失能和肿瘤免疫逃逸，从而损害机体的抗肿瘤免疫反应。因此，TME的免疫状态与免疫治疗疗效之间密切相关。研究表明，反映TME中免疫状态的肿瘤浸润淋巴细胞（tumor infiltrating lymphocytes，TIL）、免疫抑制细胞群等可作为免疫治疗的预测指标，与免疫治疗的响应率以及临床预后直接相关[5-6]。靶向TME中免疫抑制因子或血管生成，能增强浸润免疫细胞的效应，提高免疫治疗的效果[7-8]。提示TME中免疫状态的改变，可能会使原本并不响应免疫治疗的患者，变为响应治疗。因此，积极探索TME免疫抑制的形成机制，重塑免疫微环境使其响应免疫治疗具有积极意义。

2 代谢重编程诱导肿瘤微环境免疫抑制的形成

肿瘤细胞为了适应缺氧和营养物质匮乏的微环境实现快速增长，改变自身能量代谢方式的行为，称为代谢重编程（metabolic reprogramming）[9]。其中，葡萄糖代谢、氨基酸代谢以及脂代谢异常是代谢重编程主要的特征，是导致TME免疫抑制以及肿瘤免疫逃逸的关键因素。

2.1 葡萄糖代谢对免疫细胞的影响

葡萄糖是细胞能量最重要的来源，主要通过糖酵解（glycolysis）和线粒体氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）途径产生能量。正常情况下，葡萄糖转化为丙酮酸后，进入线粒体的三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA），继而耦联OXPHOS产生 ATP，从而为机体代谢提供所需能量。在无氧或缺氧条件下，葡萄糖转化为丙酮酸后，不再进入TCA，而在细胞质基质中合成乳酸，即糖酵解过程。有别于正常细胞，大多数肿瘤细胞即使在氧气充足的条件下，也优先通过糖酵解途径产生能量，这一现象称为“Warburg效应”。糖酵解不仅为肿瘤细胞的快速分裂增殖提供能量，其中间产物葡萄糖-6-磷酸还能通过磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway，PPP）合成生物大分子及还原当量，促使肿瘤细胞适应严苛的微环境，并在生长上获得优势[10]。

糖酵解是一种低效的供能方式，肿瘤细胞借此竞争性消耗大量葡萄糖为自身生长提供能量，同时显著影响免疫细胞的抗肿瘤免疫应答[3]。研究表明，在体外培养体系中，剥夺葡萄糖会抑制TIL增殖，抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）活性、糖酵解能力和γ-干扰素（interferon-γ，IFN-γ）等效应因子的产生[11]。而且，肿瘤细胞糖酵解活性的增强可以促进粒细胞/粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子的表达，进而招募MDSC至微环境中[12]。在移植瘤小鼠模型中，进展的移植瘤表现出显著增强的葡萄糖摄取和代谢，瘤内的TIL效能减低，且其糖代谢通路的关键分子4E-BP1的磷酸化水平显著下降，表明进展期肿瘤因为具有更强的糖代谢竞争力，导致局部TIL的葡萄糖缺乏和代谢不足，削弱了其抗肿瘤免疫效果[11]。

另一方面，伴随着肿瘤细胞增强的有氧糖酵解，会产生大量的乳酸、CO2等代谢产物，导致TME中乳酸的堆积和酸化，进一步给浸润的免疫细胞施加代谢压力。细胞外的高乳酸滴度和酸性微环境：1）阻碍了细胞毒性T淋巴细胞（cytotoxic T lymphocytes，CTL）和自然杀伤细胞（natural killer cell，NK）的乳酸胞外转运，从而直接影响CTL和NK细胞的增殖和细胞因子分泌，导致其杀伤功能受损[9]；2）通过酸性降解IFN-γ减弱初始T细胞向抑癌型的Th1细胞分化，而促进其向促癌型的Th2细胞分化，并能促进髓系来源的免疫细胞（如MDSC、TAM）向促肿瘤表型分化与增殖[13-14]，通过多种机制最终导致肿瘤的免疫逃逸。近期的临床研究结果显示[9]，人类肿瘤中的有氧糖酵解活性与宿主抗肿瘤免疫反应和免疫疗法的治疗结果呈负相关。过继性T 细胞疗法难以控制的肿瘤患者具有较高水平的有氧糖酵解活性，并且组织中TIL的数量及细胞毒性功能较低[15]。这些发现表明糖酵解活性不仅提供了肿瘤细胞内在的生长优势，也具有抑制肿瘤免疫监视的外在作用。

2.2 氨基酸代谢对免疫细胞的影响

与葡萄糖相似，氨基酸也是细胞进行合成代谢的重要原料，而且也是连接糖、脂质和核苷酸的中间物质。因此，氨基酸代谢在维持肿瘤的生长增殖方面发挥着重要作用。许多肿瘤细胞会发生氨基酸代谢重编程，导致TME中相应氨基酸的匮乏，造成免疫效应细胞功能受损。靶向肿瘤细胞氨基酸代谢是恢复免疫应答的有效策略之一。

谷氨酰胺（glutamine，Gln）是人体中含量最丰富的非必需氨基酸，是细胞内仅次于葡萄糖的第二大营养物质。Gln通过转运受体SLC1A5和SLC7A5进入细胞内，并在谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）的作用下产生谷氨酸和氨，随后在谷氨酸脱氢酶或者转氨酶的催化下转化成α-酮戊二酸，进入TCA循环，参与核苷酸、氨基酸以及脂肪酸合成。同时，Gln还可以转化为谷胱甘肽，用以维持细胞内活性氧稳态，防止其对生物大分子的破坏。因此，肿瘤细胞常依赖于Gln的分解代谢，为其快速增殖提供生物合成原料，能量供应以及内环境稳态。

肿瘤细胞中增强的Gln分解，导致氨的释放增加，激活邻近的肿瘤相关成纤维细胞的自噬水平，并促进细胞内Gln的释放，可被肿瘤细胞摄取利用以维持增殖所需[16]。而且，活化的T细胞和巨噬细胞也呈现增强的Gln代谢，用以维持细胞的增殖和免疫应答[17]。因此，肿瘤细胞通过竞争性消耗谷氨酸可以抑制T细胞增殖、激活以及相关细胞因子的分泌，致使免疫抑制微环境的形成。如在Gln缺乏的微环境中，肾癌细胞通过激活EGFR/ERK/c-Jun通路诱导程序性死亡配体-1（programmed death ligand-1，PD-L1）表达，抑制T细胞分泌IFN-γ，使肿瘤细胞逃避免疫杀伤[18]。但是，T细胞激活时，限制Gln会使其向CD8+记忆T细胞的分化[19]；而且，敲减GLS会促进Th1和CTL的分化和效应功能，但会损害Th17细胞的分化[20]。说明TME中各种不同细胞的Gln代谢调控以及Gln如何影响T细胞应答的机制有待进一步阐明。

精氨酸（L-arginine，Arg）是一种半必需氨基酸，在体内主要由瓜氨酸通过精氨琥珀酸合成酶1和精氨琥珀酸裂解酶两步催化合成，然后主要在精氨酸酶1（arginase-1，Arg-1）和一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）的作用下分别转化为鸟氨酸、尿素以及一氧化氮、瓜氨酸，在调节免疫应答中发挥着重要作用。许多肿瘤细胞以及多种免疫抑制细胞如MDSC、Treg均高表达Arg-1，通过降解Arg，使TME中Arg耗竭，从而抑制T细胞的功能[2]。与之相反，补充Arg可以刺激T细胞和NK细胞的细胞毒性以及效应细胞因子的产生，联合PD-L1抑制剂显著增强抗肿瘤免疫应答，并且延长骨肉瘤小鼠的存活期[21]。进一步表明，外源性补充Arg可改变T细胞代谢，使活化的T细胞代谢从糖酵解向线粒体OXPHOS转化，进而显著提高CD4+和CD8+T细胞的存活、记忆性T细胞的数量以及小鼠体内T细胞的抗肿瘤活性[22]；此外，Arg-1的活性还与M2型巨噬细胞的极化有关，后者可以抑制T细胞的活化、增殖和分化，参与肿瘤血管生成、上皮间质转化等多种恶性生物学行为。

色氨酸（tryptophan，Trp）是人体中含量最少的必需氨基酸，不仅参与蛋白质的合成，而且是多种生物活性物质的前体，Trp代谢对免疫抑制的影响也得到了极大的关注[23]。哺乳动物中，Trp主要在吲哚胺-2,3-双加氧酶（indoleamine-2，3-dioxygenase 1/2，IDO1/2）和色氨酸-2,3-双加氧酶（tryptophan-2，3-dioxygenase，TDO）催化下，转化为犬尿氨酸（kynurenine，Kyn）进行分解代谢。肿瘤细胞中色氨酸水解酶常呈高表达状态，与肿瘤的进展及不良预后显著相关。并且，TME中的多种间质细胞，如内皮细胞、TAM，同样高表达IDO和TDO，借此消耗微环境中的Trp，导致T细胞的增殖和功能受限[23]。同时，随着Trp的代谢产物Kyn的累积，可以激活芳香烃类受体，促进Treg分化，抑制效应性T细胞的增殖，促进肿瘤进展[23-24]。此外，巨噬细胞中IDO的表达可以通过产生Kyn合成NAD+，从而促进其抗炎和吞噬活性，提示抑制IDO可以逆转促肿瘤的M2表型[25]。

2.3 脂代谢对免疫细胞的影响

脂类主要包括脂肪和类脂，由游离脂肪酸转化合成，负责能量供应和储存，同时也是生物膜的组成部分，参与信号传递。肿瘤细胞脂代谢异常主要表现为脂肪酸从头合成增强，并在细胞内以脂滴形式大量累积脂质。脂肪酸从头合成起始于TCA循环中间产物柠檬酸，后者穿过线粒体膜进入细胞质，由ATP-柠檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase，ACLY）裂解生成乙酰辅酶A和草酰乙酸；乙酰辅酶A经乙酰辅酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）催化合成丙二酰辅酶A，后者再与乙酰辅酶A通过脂肪酸合酶（fatty acid synthase，FASN）作用经多次缩合作用生成16碳饱和脂肪酸棕榈酸，再经延伸和去饱和，产生各种饱和、不饱和的脂肪酸。脂肪酸可以最终转化为脂滴用以储存能量；同时，亦可转化为多种磷酸甘油酯，作为生物膜的主要成分。

研究发现，肿瘤细胞中与脂肪酸合成相关的关键限速酶FASN、ACC及ACLY明显上调，促进脂肪酸合成和脂质累积，抑制这些酶可有效抑制肿瘤的生长。TME中增加的脂肪酸含量有利于Treg的产生，并且Treg依赖外源性摄取脂肪酸发挥免疫抑制功能[26]。与之相似，TME中浸润的髓样细胞[27]，脂质累积会通过代谢重编程诱使其向免疫抑制和抗炎表型转化，这些脂质可能部分来源于脂肪酸合成增强的邻近癌细胞。另一方面，肿瘤患者体内具有较高水平脂质的CD8+T细胞，上调了程序性死亡受体（programmed death-1，PD-1）的表达，正常情况下应该呈现抑制效应；但是，联合PD-1抑制剂反而表现出高效的抗原识别能力以及更好的抗肿瘤效应[28]。此外，脂质代谢在调控TAM表型转换中同样发挥重要作用，M1型巨噬细胞中脂肪酸合成占据主导地位，而M2型巨噬细胞则主要依赖脂肪酸β氧化（fatty acid β-oxidation，FAO）提供能量。但是，目前尚未明确通过促进脂肪酸合成还是抑制FAO可以改善TAM的抗肿瘤功能[2]。抑制巨噬细胞中胆固醇合成途径可以诱导产生I型干扰素反应，从而启动抗病毒免疫反应[29]。但是，并不清楚是否参与巨噬细胞介导的抗肿瘤应答。然而，通过抑制巨噬细胞的胆固醇分泌，可以促进M2向M1的转化，从而增强其杀伤功能[30]。说明胆固醇代谢如何影响不同条件下巨噬细胞的行为有待进一步阐明。

ACAT1是CD8+T细胞中催化合成胆固醇酯的主要酶类，敲除ACAT1，可以提高CD8+T细胞膜上的游离胆固醇以及T细胞受体（T-cell receptor，TCR）成簇化，从而提高TCR结合肿瘤抗原的亲合力；另一方面，CD8+T细胞免疫突触形成更高效，细胞极化水平更高，脱颗粒水平更高，从而显著增强CD8+T细胞的杀伤能力[31]。使用ACAT1的小分子抑制剂avasimibe联合PD-1抑制剂显示协同效应，显著抑制荷瘤鼠的生长[31]。但是，近期研究显示，肿瘤的高胆固醇含量，可以通过激活内质网应激，导致T细胞功能紊乱[32]。因此，尽管胆固醇对于效应T细胞的增殖和代谢具有重要作用，靶向特定的胆固醇代谢仍需进一步研究。

3 基于代谢调控的肿瘤免疫治疗

如上所述，肿瘤细胞高度活跃的代谢重编程不仅满足了其对能量和生物合成的需求，还对浸润免疫细胞产生关键性影响，共同导致TME的免疫抑制，从而影响抗肿瘤免疫应答。因此，基于代谢调控的肿瘤免疫治疗策略，有望提高免疫治疗的应答率，让更多患者受益。随着代谢研究的日益深入，靶向肿瘤代谢途径的关键代谢酶或转运体已成为研发抗肿瘤代谢药物以及联合免疫疗法的新趋势，为提高肿瘤免疫治疗开辟了新方向。

基于糖酵解代谢的免疫治疗药物主要以己糖激酶（hexokinase，HK）、乳酸脱氢酶A（lactatedehydrogenase A，LDHA）等关键代谢酶为靶点进行设计开发。HK是糖酵解的第一个限速酶，在肿瘤细胞中的表达明显上调。靶向HK2抑制剂，如2-脱氧葡萄糖、3-溴丙酮酸，能通过抑制糖酵解活性，增加记忆T细胞的数量，提高肿瘤组织中TIL的数量以及杀伤活力，还能抑制MDSC体外的增殖以及在TME中的累积，但因临床试验中出现的有效性或毒性反应而暂停。LDHA控制着糖酵解的最后一步，能催化丙酮酸向乳酸转变，且在肿瘤细胞中普遍高表达。血清中乳酸脱氢酶的高表达与PD-1抑制剂的不良应答率直接相关[33]。研究发现，靶向LDHA的小分子抑制剂能延缓糖酵解，抑制荷瘤鼠的生长，并能显著增强自体TIL的体外杀伤能力[15]。而且，靶向乳酸转运蛋白的抑制剂AZD3965也可以提高T细胞介导的抗肿瘤反应[34]。使用碳酸氢盐中和酸性微环境，可以增强过继性T细胞疗法以及免疫检查点抑制剂的疗效[35]。

基于谷氨酰胺代谢调控的免疫治疗是目前研究的热点。Gln类似物6-重氮-5-氧代-L正亮氨酸（6-diazo-5-oxo-L-norleucine，也称为DON），通过抑制Gln代谢发挥抗肿瘤作用，但因毒性问题限制了临床应用。DON 前体药物JHU-083，通过阻断Gln代谢抑制肿瘤细胞氧化代谢和糖酵解，改善TME低氧、酸化特征，增加CD8+T细胞的活化和功能，促使其向长寿命、高度活化的表型转化[36]。进一步发现，JHU-083可以增强过继性T细胞疗法和 PD-1抑制剂的疗效[36]，但尚未进入临床试验。GLS是控制Gln代谢的第一步，在多种肿瘤中高表达，是抗肿瘤治疗有效靶标。CB-839作为一种新型的 GLS拮抗剂，通过抑制肿瘤细胞对Gln的利用，增加TME中Gln的可利用度，激活mTOR和c-Myc信号通路，从而促进NK细胞的杀瘤活性[37]。并且，与紫杉醇、二甲双胍等药物联合应用时，体现协同效应[38]。现CB-839与PD-1/PD-L1抑制剂的联合治疗正处于临床试验研究中（表1）。

鉴于IDO在催化色氨酸分解代谢介导免疫抑制中发挥重要作用，靶向IDO是最早用于改善免疫治疗的代谢酶靶点之一。目前IDO抑制剂（如epacadostat、indoximod及navoximod）常与化疗药物或其他免疫检查点抑制剂联合使用。Epacadostat是IDO1抑制剂，在黑色素瘤的早期临床试验中具有显著效果。但是，近期的一项Ⅲ期临床试验结果显示，epacadostat与keytruda（PD-1抑制剂）联合治疗黑色素瘤时，与Keytruda单药相比，联合治疗方案未能改善无进展生存期或总生存期，且具有更多的不良反应[39]。另一项针对晚期黑色素瘤Ⅱ期临床试验结果显示，IDO1和IDO2抑制剂indoximod与keytruda联合治疗组的客观缓解率以及完全缓解率均明显高于keytruda单独疗法。Navoximod是IDO1和TDO的双重抑制剂，Ⅰ期临床试验表明navoximod和atezolizumab（PDL1抑制剂）联合治疗对多种晚期癌症患者显示出可接受的安全性、耐受性和药代动力学特征，但是尚无证据表明联合疗法优于 PD-L1抗体单药治疗[40]。说明IDO抑制剂联合PD-1/PD-L1抑制剂增强肿瘤治疗的有效性仍需进一步确定，而对于IDO抑制后旁路途径的补偿也受到了更多关注。

除此之外，靶向精氨酸代谢途径的Arg-1、脂代谢途径的环氧化酶以及腺苷代谢途径的CD73和腺苷受体A2A等，均能通过调节相应的代谢增强抗肿瘤免疫应答，目前均有药物处于临床试验阶段（表1）。

表1 目前代谢联合免疫检查点制剂的临床试验（来源ClinicalTrials.gov）

4 结语与展望

目前免疫治疗在实体瘤的应用中仍然面临着巨大的挑战，总体有效率仍偏低[1]。多种预测免疫治疗疗效的分子标记物，如PD-L1的表达水平、错配修复基因表达状态、肿瘤突变负荷等，各有不足，仍需进一步验证。如上所述，TME中免疫细胞的代谢需求极大地影响了免疫疗法的抗肿瘤效应，代谢检查点的研究逐渐成为免疫疗法的热点，为免疫治疗疗效的预测与提高开辟了新的方向。通过调节肿瘤代谢，改善微环境免疫状态，可以提高免疫应答率；而且，免疫检查点抑制剂亦可通过调节代谢活动增强T细胞抗肿瘤效应，表明两者的联合应用有望产生协同效应[11]。临床中，利用放疗和（或）化疗杀伤肿瘤细胞，增加微环境中营养物质的可利用度，对于免疫细胞的激活和功能的发挥似乎起着非常重要的作用。同样，通过阻断mTOR或者缺氧诱导因子的活性，抑制肿瘤细胞糖酵解功能；利用IDO抑制剂，减少色氨酸代谢，增加自身的可利用度，减少免疫抑制代谢物的形成，以上均对免疫细胞的激活和功能起到积极意义。多项靶向肿瘤代谢的抑制剂和免疫检查点抑制剂的联合疗法正处在临床前或临床试验阶段，将为肿瘤免疫治疗带来曙光。

需要注意的是，肿瘤细胞与免疫细胞具有一系列类似的代谢途径，靶向肿瘤细胞的代谢势必会影响部分免疫细胞的功能。不同免疫细胞之间，以及相同免疫细胞处于静止与活化不同状态时对于能量的利用具有明显差异。此外，细胞代谢途径具有多样性，存在诸多的代谢旁路，旁路途径的激活常导致代谢抑制剂的失效。因此，如何找到肿瘤细胞特有的代谢通路及代谢产物作为靶标进行针对性阻断，并利用差异代谢的可塑性在抑制肿瘤与维持免疫细胞活性之间找到平衡点是未来肿瘤代谢研究的主要方向，也是联合免疫治疗需要解决的重点问题。