撰文 | Qi
責編 | 兮
肥胖在西方世界是一種流行病，也是至少13種癌症的危險因素。肥胖導致機體代謝的系統性紊亂，導致血脂異常、高膽固醇血症、胰島素抵抗、激素水平改變和炎症基線改變【1】。與肥胖相關的細胞水平改變例如腸上皮細胞的轉錄和表觀遺傳改變，有助於結腸直腸癌的發生和進展【2,3】。以往對肥胖和癌症的研究主要集中在腫瘤的內在效應或腫瘤細胞的內分泌調節軸上，而肥胖引起的全身代謝改變對腫瘤局部微環境（tumor microenvironment, TME）免疫細胞的影響尚未見報導。
TME是一種獨特的代謝生態環境，包括細胞成分（腫瘤細胞、免疫細胞和基質細胞）以及腫瘤組織間隙的內容物。腫瘤細胞代謝的一個特點是營養消耗增加，以滿足能量、合成代謝和促進生存的需求【4】。活化的T細胞高度增殖，依賴特定代謝途徑維持T細胞效應器功能。鑑於實體腫瘤的血液供應有限，腫瘤細胞的高營養消耗可能對腫瘤內T細胞的代謝需求構成障礙【5】。眾所周知，腫瘤細胞代謝會以抑制抗腫瘤免疫的方式改變局部代謝格局的許多方面。然而，全身代謝如何影響TME內的局部代謝，以及肥胖如何影響腫瘤和免疫細胞之間的相互作用尚不清楚。
2020年12月9日，來自哈佛醫學院的Arlene H. Sharpe課題組和Marcia C. Haigis課題組在Cell 雜誌上合作發表了一篇題為 Obesity Shapes Metabolism in the Tumor Microenvironment to Suppress Anti-Tumor Immunity的文章，在這項研究中，作者利用代謝學、蛋白質組學和基因組學的方法，以及多重組織成像，通過小鼠腫瘤模型系統地剖析了高脂飲食（high-fat diet, HFD）誘導的肥胖如何重塑TME的代謝。此外，使用scRNA-seq描述TME中免疫亞群對肥胖的代謝反應，繪製出HFD誘導的肥胖與腫瘤免疫細胞在單細胞解析度水平上的動態圖譜。最後，作者提出阻斷肥胖小鼠腫瘤細胞的代謝重編程可提高抗腫瘤免疫能力以及利用新陳代謝或能改善癌症免疫治療的觀點。
為了在小鼠中建立人類肥胖模型，作者將5周齡小鼠隨機分為正常飲食組（control diet, CD）和HFD組，並於餵食8-10周後，在HFD小鼠中檢測出全身性肥胖相關的代謝水平改變。隨後，作者將不同程度免疫原性的腫瘤細胞注射到小鼠體內，觀察到兩組小鼠體內的腫瘤生長速度存在差異，例如高免疫原性原位E0771乳腺腫瘤在HFD小鼠中生長更快，而低免疫原性LLC腫瘤的生長率不隨飲食而改變。為了探討CD組小鼠腫瘤生長率降低是否是由於T細胞的控制，作者將MC38（小鼠結腸癌細胞）腫瘤植入TCRα-KO（ T cell receptor-α knockout）小鼠體內，與HFD相比，正常飲食的TCRα-KO小鼠的MC38腫瘤生長率沒有差異，類似地，在缺乏CD8+ T細胞的小鼠中，腫瘤生長率也沒有飲食依賴性變化。
為了了解HFD餵養如何改變MC38腫瘤的免疫狀況，作者使用流式細胞術分析腫瘤植入後10-14天後腫瘤體積相似時腫瘤浸潤的免疫細胞群，並發現CD8+ T細胞是MC38 TME中受HFD影響最大的免疫細胞類型。根據T細胞功能指標例如Ki67，GZMB和PD-1水平檢測結果，HFD可以引起CD8+ T細胞的活性和功能降低。
隨後，作者利用scRNA-seq技術在單細胞解析度水平繪製肥胖條件下的代謝改變譜，鑑定出TME中的免疫細胞對HFD有獨特的代謝適應反應，且T細胞的代謝差異明顯，集中表現為中心碳代謝途徑的改變。而對於腫瘤細胞的殺傷，CD8+ T細胞需要直接的細胞接觸和足夠的代謝資源。為此，作者試圖了解肥胖是否影響腫瘤浸潤淋巴細胞（tumor-infiltrating lymphocytes, TILs）在TME中的位置，以及T細胞在腫瘤中的位置是否與腫瘤內代謝生態位的變化有關。作者通過循環免疫螢光（cyclic immunofluorescence,CyCIF）繪製TME中細胞的位置和狀態，發現與CD相比， HFD腫瘤中CD8+和CD4+ T細胞與糖酵解標記物GLUT1之間的重疊減少，提示HFD改變了腫瘤內的代謝生態位相互作用，並影響了局部T細胞的浸潤模式。
CD8+ T細胞依賴於許多與腫瘤細胞相同的「燃料」來源和代謝途徑來支持增殖、生存和效應功能，兩者在代謝資源的爭奪上可能會存在「拉鋸戰」。通過對基因表達模式的分析，作者發現HFD中腫瘤細胞和CD8+ T細胞在脂質代謝方面存在差異。通過進一步的基於串聯質譜標籤的定量蛋白質組學分析，作者發現脂肪酸代謝和氧化磷酸化途徑富集於HFD腫瘤細胞，HFD通過誘導轉運體、脂肪酸結合蛋白和參與線粒體β氧化的蛋白質來支持腫瘤中的脂肪利用，而腫瘤細胞對脂肪酸的攝取增強可能導致T細胞在TME中缺乏脂肪酸，加之HFD中的IFNγ反應相對於CD較低，這些或許可以解釋為什麼CD8+ T細胞活性降低以及浸潤減少。
根據上述結果，作者假設阻止HFD誘導的代謝改變可以恢復CD8+ T細胞的反應，並防止HFD引起的腫瘤生長增加。為了驗證這一觀點，作者在MC38細胞中過表達HFD-MC38細胞中主要改變的代謝調節因子之一PHD3，確實顯著增加了HFD小鼠中CD8+ T細胞的浸潤，相反，顯著降低了腫瘤細胞對脂肪酸的攝取以及腫瘤生長速率，提示維持PHD3在MC38腫瘤細胞中的高表達可提高HFD小鼠的抗腫瘤T細胞反應。
與此一致的是，作者分析了TCGA上結直腸癌RNA序列數據集與相應的BMI數據，在BMI為30 kg/m2的肥胖患者的腫瘤中，PHD3的表達顯著降低，與結直腸癌患者的正常組織相比，癌症中PHD3的表達也明顯降低。基於此，作者假設肥胖可能會減少人類腫瘤中T細胞的浸潤或功能，通過分析PHD3轉錄水平與CD8+ T細胞介導的免疫和炎症標記物之間的關係，MHC-I和GZMB與PHD3在多種癌症類型中的表達呈顯著正相關，表明低水平PHD3腫瘤則炎症程度較輕。與此同時，作者在五種癌症數據集中驗證低水平PHD3樣本在冷腫瘤中顯著富集，提示PHD3下調發生在人類癌症中，並與免疫力下降有關。
總的來說，這項研究揭示腫瘤細胞對HFD的適應由於脂肪酸分配的改變和必需代謝產物的局部耗竭而導致T細胞功能障礙，尤其是飲食壓力可以放大腫瘤代謝的「拉鋸戰」，突出了腫瘤內局部代謝的複雜性，並證明了將腫瘤內細胞群之間的代謝相互作用作為調節免疫控制腫瘤生長的一個因素是至關重要的。因此，在沒有微環境壓力的情況下，對培養的腫瘤細胞進行研究，就不能完全了解腫瘤代謝重編程的影響。相反，為了充分利用患者靶向代謝的能力，研究者必須了解全身代謝、TME變化之間的相互作用，以及對腫瘤和免疫細胞代謝可能產生的不同影響。進一步了解系統代謝如何影響TME中的營養分配和免疫功能，可能會對針對癌症代謝和抗腫瘤免疫的治療幹預產生影響。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.009
參考文獻
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2. Beyaz, S., Mana, M.D., Roper, J., Kedrin, D., Saadatpour, A., Hong, S.-J., Bauer Rowe, K.E., Xifaras, M.E., Akkad, A., Arias, E., et al. (2016). High-fat diet enhances stemness and tumorigenicity of intestinal progenitors. Nature531, 53–58.
3. Li, R., Grimm, S.A., Chrysovergis, K., Kosak, J., Wang, X., Du, Y., Burkholder, A., Janardhan, K., Mav, D., Shah, R., et al. (2014). Obesity, rather than diet, drives epigenomic alterations in colonic epithelium resembling cancer progression. Cell Metab. 19, 702–711.
4. Pavlova, N.N., and Thompson, C.B. (2016). The Emerging Hallmarks of Cancer Metabolism. Cell Metab. 23, 27–47.
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