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細細品讀Nature子刊綜述，你和高分差多少？
腫瘤這種惡性疾病除了被視為「基因病」，也被視為「代謝病」和「免疫病」，因為腫瘤組織和細胞內通常會發生不同程度的代謝紊亂和免疫功能的異常變化，而代謝和免疫之間也存在影響，讓腫瘤的分子機制變得更加撲朔迷離。
2020年7月6日，約翰霍普金斯藥理與分子科學教授Jonathan D. Powell在國際著名期刊，《Nature reviews cancer》（IF=53.03）上發表了題為《Metabolism of immune cells in cancer》的綜述文章，為我們系統性的介紹了腫瘤中免疫細胞的代謝及其影響。
Powell博士的興趣主要圍繞在T細胞活化、分化、功能和耐受性的生化和分子機制上，近年來課題組致力於代謝在調節免疫細胞的激活，分化和功能中的作
用，並且在頂級期刊上發表了一系列的研究成果。妥妥的領域內大佬一枚啊！
這篇綜述主要分為以下4個部分，本工將逐一進行介紹。
腫瘤微環境和免疫微環境
抗腫瘤反應的代謝
腫瘤免疫逃逸的代謝
利用差異代謝可塑性
結論和展望
腫瘤微環境和免疫微環境
腫瘤細胞特有的高度活躍的代謝途徑可以對腫瘤微環境內的營養成分和其他小分子的組成產生深刻的變化，而這些變化又可對免疫反應產生關鍵性的影響。腫瘤細胞的高代謝活性和腫瘤微環境內混亂的血管系統可能會導致營養耗竭和缺氧，從而在腫瘤細胞和浸潤的免疫細胞之間建立代謝競爭。在小鼠模型中，抗腫瘤CD4+T細胞的葡萄糖攝取和效應功能與腫瘤細胞的糖酵解活性成反比，提高腫瘤微環境中葡萄糖的可獲得性可以改善抗腫瘤CD8+T細胞的細胞因子表達。
此外，TCGA黑色素瘤的轉錄組數據分析結果顯示，效應T細胞基因（如CD40lg和IFNG）與糖酵解途徑限速酶HK2的表達呈負相關。腫瘤微環境中的細胞活躍的代謝也會導致某些代謝物濃度達到毒性濃度水平。腺苷、犬尿氨酸、鳥氨酸、活性氧和鉀的濃度升高，以及酸中毒程度的增加，這些特徵都在腫瘤微環境中被報導過，而且其中每一種產物都可以對抑制抗腫瘤免疫反應有作用。
腫瘤微環境的免疫環境包括一系列不同的細胞類型（Table 1）。效應細胞具有殺傷其他細胞的功能，它們的來源包括先天性(非特異性)或適應性(抗原特異性)免疫。來自適應性免疫的抗腫瘤效應細胞包括CD4+和CD8+Teff細胞，它們分別協調和執行對腫瘤細胞的抗原特異性殺傷。CD8+Teff細胞通過誘導細胞凋亡和分泌細胞因子，在直接殺傷腫瘤細胞過程中起著至關重要的作用。CD4+T細胞由許多亞群組成，其中被研究得最充分的輔助性T細胞1(Th1)亞群也可以提供顯著的抗腫瘤活性（被稱為CD4+COV）。
另外還有一類具有免疫抑制活性、促腫瘤的CD4+T細胞，稱為調節性T細胞(Treg)。雖然CD4+COV細胞可能參與直接殺傷腫瘤細胞，但它們主要通過分泌細胞因子和輔助CD8+T細胞活化來促進抗腫瘤免疫。抗腫瘤的CD4+COVT細胞與CD8+Teff細胞都具有一些明顯的代謝特徵。雖然在抗腫瘤免疫方面知之甚少，但B細胞也可能在腫瘤微環境中發揮效應。T細胞和B細胞都可以產生記憶細胞群，這種記憶細胞群可以在感染或腫瘤消失後很長一段時間內持續存在。CD8+記憶T細胞是機體能夠長期控制腫瘤的重要原因。先天性免疫細胞，如自然殺傷(NK)細胞和炎性巨噬細胞，也發揮著重要的抗腫瘤效應功能。
腫瘤微環境內還有免疫抑制細胞群，包括CD4+FOXP3+Treg細胞、髓系抑制細胞(MDSCs)、抗炎巨噬細胞和一些B細胞群，這些細胞可以通過多種機制，包括分泌細胞因子和擾亂代謝，可以抑制或消除抗腫瘤效應細胞的功能。最後，抗原提呈細胞，如樹突狀細胞(DC)，已被證明在維持腫瘤微環境內的適應性免疫反應中發揮重要作用。
抗腫瘤反應的代謝
1 抗腫瘤效應細胞的糖代謝
CD4+COV和CD8+Teff細胞構成了抗腫瘤反應的關鍵效應因素。未成熟的CD4+和CD8+T細胞在共刺激信號的協助下識別到同源抗原時就會增殖，並通過一些新陳代謝特徵來支持其快速生長。雖然許多早期研究強調有氧糖酵解的上調是T細胞活化的標誌，但現有的研究結果表明，上調的三羧酸（TCA）循環代謝和氧化磷酸化（OXPHOS ）也是CD4+COV和CD8+T細胞活化的關鍵因素。儘管TCA循環代謝在激活後24小時內上調，但上調的有氧糖酵解可能發生得更快，發生在激活後6小時內。
MYC和HIF-1的轉錄活性均可因為T細胞活化而上調，並促進代謝重編程。值得注意的是，HIF-1不但可在缺氧時調節新陳代謝，也可在不缺氧的情況下因為T細胞活化而被誘導激活。MYC和HIF-1的轉錄活性導致促進糖酵解的酶的基因發生上調，如丙酮酸激酶(PKM1)、己糖激酶2(HK2)和GLUT1。
糖酵解過程中生成近端代謝產物的途徑也是T細胞活化和功能的組成部分。磷酸戊糖途徑(PPP)可代謝葡萄糖-6-磷酸生成NADPH和核糖-5-磷酸，當CD4+T細胞激活時，進入PPP的葡萄糖顯著增加。PPP是NADPH的主要細胞來源，而NADPH是新激活的CD8+T細胞合成脂肪酸和質膜所必需的。NADPH對增殖的哺乳動物細胞的氧化還原動態平衡也起著至關重要的作用。
儘管活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平失調可以導致毒性產生，但ROS仍在T細胞活化中起重要作用，研究表明ROS可以促進CD4+和CD8+Teff細胞表達IL-2。另一種起源於早期糖酵解反應的途徑，己糖胺生物合成途徑（HBP），是糖基化底物的主要細胞來源，可介導對一系列蛋白質的各種影響，包括穩定性、轉運和功能。HBP依賴於葡萄糖和穀氨醯胺的新陳代謝，並對它們的可用性做出反應。HBP的主要產物，UDP-GlcNAc，對效應CD4+和CD8+Teff細胞的擴增和功能都有著至關重要的作用。最後，絲氨酸-甘氨酸-一碳途徑使細胞能夠產生絲氨酸、甘氨酸、NADPH和一碳單位用於葉酸循環，而T細胞的增殖和功能依賴於細胞內外充足的絲氨酸。
沒有被代謝為乳酸或近端糖酵解途徑中葡萄糖的碳對Teff細胞中的TCA循環有重要作用。在高度增殖的細胞中，TCA循環的中間產物被迅速消耗，作為生物分子合成的基石，這一過程被稱為瀑布反應（cataplerosis）。例如，檸檬酸可以輸出到細胞質以再生出乙醯輔酶A，用於脂質和膽固醇的合成，這兩種物質對於Teff細胞增殖過程中膜的產生有著至關重要的作用。
其他TCA循環中間體可以作為生物合成的基礎，例如，在增殖過程中需要很高的核苷酸和胺基酸。像癌細胞一樣，T細胞可高度增殖並上調特定的糖酵解程序，包括有氧糖酵解、PPP、HBP和TCA周期支持，從而支持大量的細胞分裂和效應功能。
2 腫瘤微環境中的 T細胞和葡萄糖限制
腫瘤微環境中的葡萄糖限制會顯著影響T細胞反應。例如，低糖條件(0.1mM)抑制了T細胞糖酵解中間產物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)的產生，從而破壞了體外鈣依賴的NFAT（Nuclear factor of activated T cells）信號。
與對照組相比，降低培養液中的葡萄糖濃度可以抑制細胞外酸化速率(有氧糖酵解的一種衡量標準)，增加耗氧率(一種氧化磷酸化的衡量標準)，減弱mTOR信號，並抑制CD4+和CD8+Teff細胞的效應功能。減少mTOR複合物1(mTORC1)信號可幹擾Teff細胞的分化，特別有利於具有免疫抑制活性的、促腫瘤的Treg細胞的發展。有趣的是，在CD8+T細胞中，用雷帕黴素阻斷mTOR有利於長壽T記憶細胞的分化，這可能會在維持抗腫瘤反應中發揮重要作用。
與對照培養基相比，降低培養液中葡萄糖可抑制Teff細胞中關鍵效應分子IFN-γ、IL-17和顆粒酶B的產生。在含有代糖燃料半乳糖(抑制有氧糖酵解)的無糖培養基培養的CD4+T細胞中，糖酵解酶GAPDH發揮兼職作用，結合在IFNG mRNA的3『非翻譯區，抑制其翻譯和Teff細胞功能。原代卵巢癌細胞培養液中的葡萄糖限制可導致microRNA介導的組蛋白甲基化酶EZH2被抑制，導致NOTCH信號的減弱，抑制細胞因子的產生，降低Teff細胞的存活率。
用vehicle處理過的或過表達空載體的腫瘤細胞作為對照組，在共培養實驗中使用AKT激活劑，4-羥基他莫昔芬，或者在腫瘤細胞中過表達關鍵的糖酵解酶(例如Glut1,、Hk2和Pdk1)，然後注射到小鼠體內，可提高小鼠肉瘤細胞的糖酵解能力，導致CD8+T細胞效應功能被抑制。類似地，與野生型腫瘤相比，將過表達Hk2的黑色素瘤細胞移植到小鼠模型後，CD4+T細胞的抗腫瘤效應功能和體內反應被抑制。
此外，黑色素瘤和非小細胞肺癌患者的腫瘤樣本中糖酵解相關基因的表達也與T細胞浸潤水平呈負相關。改變代謝平衡也可以通過直接控制T細胞代謝來實現。例如，在使用黑色素瘤特異性T細胞的過繼T細胞模型中，與轉染空載體的T細胞相比，在腫瘤特異性CD4+T細胞中過表達一種糖酵解酶，磷酸烯醇丙酮酸羧激酶，可以改善抗腫瘤反應。
線粒體呼吸也是Teff細胞代謝的一個重要方面。根據最近的幾項研究報導，癌症患者的T細胞和荷瘤小鼠的腫瘤浸潤性CD8+T細胞表現出線粒體數目減少以及線粒體功能障礙。與健康對照組相比，慢性淋巴細胞白血病患者靜息狀態下外周血CD8+T細胞的線粒體質量（Mitochondrial fitness）受損。
另外，這些患者對CAR T細胞治療的反應程度與輸注的CAR T細胞的線粒體損傷程度呈負相關。與健康捐獻者的CD8+T細胞相比，腎癌患者腫瘤浸潤的CD8+T細胞表現出線粒體動力學和功能失調，包括線粒體ROS水平升高和超極化。這些T細胞的正常體外活化可以通過線粒體ROS清除劑或丙酮酸補充來挽救。
線粒體的生物發合成和功能在功能失調的腫瘤浸潤性CD8+T細胞中尤其紊亂，這類T細胞被稱為耗竭T細胞。總體而言，這些研究表明，癌症本身可以導致Teff細胞代謝紊亂，包括線粒體動力學，而癌細胞的糖酵解活性程度與浸潤的T細胞的抗腫瘤效應功能之間也存在相互作用。
3 胺基酸與抗腫瘤T細胞反應
和癌細胞一樣，高度增殖的免疫細胞，如活化的T細胞，依賴胺基酸代謝來支持蛋白質和核苷酸的合成。因此，在人和小鼠的體外研究中，發現包括SLC7A5(也稱為LAT1)、SLC38A1(也稱為SNAT1)、SLC38A2(也稱為SNAT2)和SLC1A5(也稱為ASCT2)在內的胺基酸轉運體在T細胞活化過程中高度上調。
必需胺基酸必須從外界獲取獲得。例如，mTORC1信號、效應器功能和效應CD8+和CD4+conv T細胞的正確分化都需要亮氨酸。
有趣的是，在小鼠模型中，亮氨酸轉運蛋白Slc7a5的缺失會導致細胞因子引導CD4+和CD8+Teff細胞分化的體外激活過程中發生代謝衰竭，但對Treg細胞的分化沒有不良影響。活化的T細胞也能快速代謝精氨酸，補充外源精氨酸可以改善T細胞的適應性，增加中央記憶T細胞的生成。絲氨酸、色氨酸和半胱氨酸也是T細胞反應的重要營養物質，因此也是抗腫瘤免疫反應的重要介質。
色氨酸是一種必需的胺基酸，它在腫瘤微環境中的可獲得性是決定T細胞反應強度和質量的重要因素。與正常培養液相比，人T細胞在無色氨酸培養基中的增殖和活化受到明顯抑制。癌細胞、腫瘤相關巨噬細胞(TAMs)、MDSCs、抑制性樹突狀細胞(DC)和腫瘤相關成纖維細胞可以通過吲哚胺2，3-雙加氧酶(IDO)的酶活性來耗盡色氨酸，而IDO在腫瘤微環境的這些細胞中可以發生高表達。IDO的表達與幾種癌症類型患者的不良預後相關，包括胃癌、結直腸癌、非小細胞肺癌和黑色素瘤，更加突顯這種代謝途徑對腫瘤生長的重要性。
在增殖細胞中，穀氨醯胺為胺基酸和核酸的合成提供氮，並為補充TCA循環中間體提供碳，這些中間體被作為生物合成的基石，這一過程稱為回升(anaplerosis)(Fig 1)。癌細胞和一些被激活的免疫細胞，如T細胞和巨噬細胞，通常高度需要穀氨醯胺。在體外刺激小鼠CD4+conv T細胞時，穀氨醯胺轉運蛋白，如SLC1A5、SLC38A1和/或SLC38A2，表達明顯上調。
穀氨醯胺在MYC的驅動下，由穀氨醯胺酶代謝成穀氨酸，穀氨酸脫氫酶再將其轉化為穀氨酸酮戊二酸(α-酮戊二酸，αKG)後可能進入TCA循環。αKG隨後在TCA循環中代謝為琥珀酸和富馬酸。值得一提的是，在穀氨醯胺限制的情況下，一些癌細胞會啟動葡萄糖燃料的回補（glucose-fuelled anaplerosis），其中丙酮酸被丙酮酸羧化酶轉化為草醯乙酸酯，草醯乙酸酯再進入TCA循環。我們的研究團隊最近發現，在體外穀氨醯胺被阻斷條件下，效應CD8+T細胞也能夠上調丙酮酸羧化酶的活性。
雖然在培養基中限制穀氨醯胺可以抑制分化後CD8+T細胞的效應功能和增殖，但如果在激活CD8+T細胞的過程中限制穀氨醯胺的供應，則會分化為長期存活的記憶表型。這種分化效應是由αKG介導的。αkg和其他TCA的代謝物，如琥珀酸和富馬酸，可以調節很多細胞通路的活性，包括表觀遺傳重塑和關鍵轉錄因子的穩定性，如HIF-1α。
4 脂質代謝與T細胞
不管是激活T細胞還脂質代謝的重編程，上調從頭開始的脂質合成和膽固醇吸收是膜合成的關鍵，並分別由轉錄因子SREBP1和SREBP2介導。在缺乏SREBP1和SREBP2功能的活化小鼠CD8+T細胞中，增殖、代謝重編程和抗病毒活性都被顯著抑制。
此外，CD8+T細胞體外激活和擴增過程中膜膽固醇含量部分受膽固醇酯化酶ACAT1的調節。在過繼轉移的小鼠腫瘤模型中，Acat1基因敲除的CD8+T細胞表現出膜膽固醇量增加，T細胞受體聚集和信號轉導改善，增強了細胞的增殖和功能，也提高了腫瘤殺傷率。與vehicle處理的對照組動物相比，阿瓦西米（avasimide）對ACAT1的藥理性抑制提高了小鼠的抗腫瘤效果。
然而，膽固醇代謝和抗腫瘤T細胞功能是一個不斷發展的故事。最近由Ma等人進行的一項研究表明腫瘤中高膽固醇含量可以通過激活內質網應激反應而導致T細胞功能障礙。因此，儘管膽固醇對Teff細胞的增殖和代謝很重要，但靶向膽固醇代謝的特定方面以提高抗腫瘤免疫反應的益處還需要進一步研究。
5 免疫記憶的代謝
與Teff細胞不同，CD8+T記憶細胞傾向於依賴OXPHOS功能。與CD8+Teff細胞相比，較高的備用呼吸量（spare respiratory capacity）——指示細胞上調OXPHOS能力的參數，也是記憶T細胞的一個明顯特徵。CPT1A是一種線粒體轉運體，負責將用於脂肪酸β氧化（fatty acid β-oxidation，FAO）的長鏈脂肪酸轉入線粒體，使用依託莫昔爾作為CPT1A抑制劑的初步研究表明，FAO是記憶T細胞中OXPHOS的主要燃料。
然而，最近一項使用T細胞特異性Cpt1a基因敲除模型的研究對此提出了質疑，並證明大劑量依託莫西(200μM)的靶外效應可能是導致上述早期結果的原因。但這不應被理解為記憶T細胞不使用FAO來支持OXPHOS和備用呼吸能力，而是FAO不是造成這種代謝表型的唯一途徑。
事實上，與Teff細胞相比，CPT1A在CD8+T記憶細胞中的表達持續上調。此外，被稱為組織駐留記憶細胞的CD8+T細胞亞群會特異性地依賴於FABP4（fatty acid binding protein 4）和FABP5來為FAO輸入細胞外脂肪酸，並維持長期記憶表型。
TCA循環的中間產物，如αKG、琥珀酸和富馬酸，在適應性記憶中尤為重要。通過改變這些TCA代謝物來抑制2-戊二酸依賴的雙加氧酶(2OGDD)已被證明可以促進CD8+T細胞的記憶細胞分化。雖然葡萄糖、穀氨醯胺和脂肪酸是TCA循環的主要營養來源，但一系列其他營養物質，如胺基酸和醋酸，也可以進入循環。特別是在CD8+T細胞和一些癌症類型中，醋酸代謝是乙醯輔酶A的重要來源。在線粒體中，乙酸乙酯被ACSS1（acyl-CoA synthetase short chain family member 1）代謝形成乙醯輔酶A後進入TCA循環。
另外，醋酸也可以被細胞質中的ACSS2轉化為乙醯輔酶A，在那裡它可以促進脂肪酸的合成和乙醯化反應，這些反應在表觀遺傳重新編程和翻譯後修飾中非常重要。醋酸代謝是促進記憶CD8+T細胞功能的重要代謝途徑。有趣的是，阻斷T細胞活化過程中的穀氨醯胺代謝可以增加記憶T細胞的分化，並誘導醋酸代謝和相關的酶，包括ACSS1和ACSS2。作為靜止期細胞，相對於有氧糖酵解，記憶T細胞優先依賴於OXPHOS，並且有大量的線粒體儲備，在抗原激活時需要進一步上調OXPHOS。記憶T細胞可以適應幾種不同的營養來源來為這一代謝過程提供燃料。
6 缺氧與抗腫瘤T細胞反應
腫瘤組織具有高度異質性，其高水平的代謝活動和相關的氧氣消耗，以及無序且功能不良的血管系統，可以在組織中產生氧飽和度中位數低於2%的缺氧區(而正常組織的中位數約為5%)。缺氧對Teff細胞的影響尚不非常明確。使這一問題複雜化的是，在常規氧氣條件下，T細胞激活也會導致HIF-1轉錄活性上調，因此了解缺氧增強HIF-1活性的影響的同時，評估HIF-1的單獨作用就變得更為複雜了。
早期對CD8+Teff細胞的激活、分化和功能的體外研究表明，低氧可抑制細胞增殖和某些細胞因子的表達，但提高了細胞的裂解能力、活化標誌物和存活率。隨後的體內研究表明，與暴露在環境氧氣壓力(20%)下的小鼠相比，暴露在亞大氣O2壓力（8%）下的小鼠在受到刀豆蛋白A（concanavalin A）攻擊後，其CD4+和CD8+脾臟T細胞的活化程度更差。其他研究表明，體外低氧暴露會導致代謝產物(S)-2-hydroxyglutarate (S-2-HG)在細胞內積累，從而改變CD8+T細胞的活化和分化，抑制細胞因子的分泌和溶解細胞的能力，但有趣的是，將其轉移到實驗鼠模型中後，細胞增殖、長期存活和抗腫瘤反應都會增強。
先前的研究表明形成長壽命記憶CD8 + T細胞時需要氧化代謝和氧化代謝能力，與這一發現相反的是，在小鼠疫苗模型中，組成性的HIF-1α 活性（通過有條件地敲除HIF-1調節基因Vhl來實現）增強糖酵解活性後實際上有利於長壽效應記憶細胞的形成。
另有研究表明，低氧可誘導腫瘤微環境中不同細胞上外切核苷酸酶（ectonucleotidases ）CD39和CD73的表達。這些酶將腫瘤微環境中的ATP分解成腺苷，腺苷是A2A和A2B嘌呤能受體的配體，廣泛表達於多種免疫細胞上，具有廣泛的免疫抑制作用，抑制效應細胞的功能和Teff細胞的增殖，而補充氧氣可通過下調腺苷信號通路來增強小鼠T細胞的抗腫瘤免疫反應。
因此，低氧對抗腫瘤T細胞的影響是一個不斷發展的研究領域。考慮到腫瘤中缺氧區的普遍存在以及缺氧對適應性免疫反應有著深遠影響，進一步的研究將有利於免疫治療領域。
7 有毒代謝物
除了腺苷，癌細胞代謝產生的許多其他產物也會影響浸潤的T細胞(Fig 1和Fig 2)。在小鼠和人CD8+T細胞的體外研究中，腫瘤微環境中細胞外乳酸和H+離子水平的升高可以抑制T細胞的增殖、存活、細胞毒性和細胞因子的產生。與標準培養液相比，在高濃度的乳酸和H+條件下，小鼠CD8+T細胞的體外激活過程中，編碼關鍵Teff細胞轉錄因子NFAT基因的上調過程會受到破壞。
在小鼠體內的研究表明，與用空載體轉染作為對照的黑色素瘤細胞相比，敲除LDHA基因的小鼠黑色素瘤細胞產生的乳酸更少，對免疫介導的腫瘤排斥反應更敏感。與對照培養基相比，在乳酸和H+升高的情況下，激活的人效應CD8+T細胞中的MAP激酶信號也嚴重受損。
腫瘤內特定胺基酸的積累也可以抑制Teff細胞的反應。在這方面研究最充分的可能是色氨酸代謝物的影響，特別是犬尿氨酸，它是通過IDO1的活性產生的。與vehicle處理的對照組相比，犬尿氨酸作為T細胞上芳香烴受體的內源性配體，在體外可引起活化的CD8+T細胞發生PD1共抑制通路的上調。
在外源性犬尿氨酸處理的小鼠模型中，在腫瘤浸潤的CD8+T細胞上也觀察到PD1表達上調。用犬尿氨酸處理後的荷瘤小鼠的腫瘤浸潤的CD8+T細胞產生的IFN-γ和TNF更少。
也有研究報導說癌細胞通過釋放腫瘤代謝物(R)-2-hydroxyglutarate (R-2-HG)來抑制T細胞的活性，這種代謝物可以抑制表觀遺傳雙加氧酶，如組蛋白去甲基酶，導致甲基化增加和轉錄修飾。體外實驗研究表明IDH(異檸檬酸脫氫酶)突變型人腦膠質瘤產生的R-2-HG可被T細胞攝取，幹擾活化的人CD4+和CD8+T細胞的增殖、T細胞受體信號轉導、NFAT活性和多胺的生物合成。在攜帶IDH突變膠質瘤小鼠的腫瘤微環境中，R-2-HG抑制補體介導的抗腫瘤反應以及T細胞的遷移、增殖和細胞因子分泌。以上研究結果表明，腫瘤微環境中的腫瘤代謝物和免疫功能之間存在複雜的相互作用(Fig. 2)。
高水平的細胞壞死會導致腫瘤微環境中鉀含量的增加，從而限制T細胞效應器的功能。在細胞質中較低水平乙醯輔酶A的介導下，誘導活化T細胞的表觀遺傳重塑，導致腫瘤微環境內Teff細胞的功能障礙。
然而，這種功能失調的狀態具有豐富的T細胞乾性特徵。與幹細胞狀態的誘導相一致，在高鉀條件下，Teff細胞在體外刺激和擴增後，產生了能在體內具有持久性、多能性和更高腫瘤清除能力特性的T細胞。腫瘤壞死和腫瘤微環境中固有代謝活性產生的T細胞抑制性代謝物形成了腫瘤免疫逃避的重要機制。
8 代謝和先天性免疫反應
由於NK細胞特別擅長在靶細胞MHC-I下調時對其進行殺傷，而MHC-I下調是癌細胞常見的逃逸策略，因此它們構成了先天性反應的關鍵效應成分。在體外用細胞因子(IL-12和IL-15)刺激NK細胞後，代謝中有氧糖酵解和OXPHOS通路可表達上調。而在體外NK細胞受刺激的過程中，這些細胞因子誘導的代謝變化需要SREBP轉錄因子。用藥物抑制SREBP活性可抑制體外代謝重編程、細胞因子產生和細胞毒性，並降低過繼NK細胞小鼠模型的抗腫瘤反應。
有研究報導發現，內源性SREBP抑制劑，如27-hydroxycholesterol，在腫瘤微環境中含量增加，這可能是抑制NK細胞的機制之一。小鼠中肺癌的進展和TGFβ都與腫瘤相關NK細胞中果糖-1，6-二磷酸酶（FBP1）表達增加有關。FBP1是糖異生的關鍵酶，當它被激活時，可強烈抑制NK細胞的糖酵解，導致其功能障礙和活性降低。在過繼細胞治療小鼠模型中，抑制FBP1足以重建糖酵解代謝，以及細胞因子的產生和細胞毒性，並提高抗腫瘤反應。
這些研究表明，通過抑制FBP1來挽救NK功能依賴於糖代謝的恢復，因為用2-脫氧葡萄糖(2-DG)阻斷葡萄糖代謝可以阻止FBP1抑制引起的挽救效應。2-DG本身也可導致NK細胞功能障礙，這一反應提示抑制糖代謝可能對NK細胞的抗腫瘤效應有重要影響。腫瘤微環境內的其他代謝紊亂也可能影響NK細胞的功能。例如，低水平的精氨酸會損害NK細胞的增殖和IFN-γ的產生，低氧會抑制溶細胞的活性（cytolytic activity）。
在體外研究中，人NK細胞激活受體，如NKp46和NKp30，在低氧或低精氨酸條件下也會被抑制。在另一項體外研究中，和腫瘤微環境類似的高乳酸和相關的低pH，也抑制了NK細胞的細胞毒性、細胞因子的產生和NFAT（Nuclear factor of activated T cells）信號的傳遞。最後，腫瘤微環境內腺苷水平升高可強烈抑制NK細胞增殖和效應器功能。
其他先天細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞也在激活時啟動特定的代謝程序。早期的體外研究使用特定的細胞因子激活方案將巨噬細胞分為炎症(M1)或免疫抑制(M2)表型，但很少有證據表明這些極化表型在體內起著不同的作用。
最近的研究發現了具有不同轉錄狀態的巨噬細胞表型。也就是說，具有炎症特性的巨噬細胞可以在抗腫瘤免疫中發揮重要作用，因此研究關於體外衍生的「M1」巨噬細胞的代謝程序有重要意義。葡萄糖代謝是巨噬細胞炎症表型的重要方面，在被Toll樣受體激動劑激活後，這些細胞表現出糖酵解基因表達增加，葡萄糖攝取水平升高，乳酸生成量增加，穀氨醯胺分泌增加。
這種代謝重編程導致琥珀酸水平升高，從而通過穩定HIF-1而增加炎症細胞因子IL-1β的表達。炎症巨噬細胞也特別依賴於PPP（Pentose phosphate pathway）來產生NADPH，13C-葡萄糖追蹤的研究證實，在細胞中激活炎症表型後，通過該途徑的葡萄糖增加。NADPH作為氧化爆發（oxidative burst）的一部分，是產生高水平ROS所必需的，而氧化爆發是這些細胞的關鍵效應機制。
精氨酸也是促炎的「M1」巨噬細胞執行功能時的關鍵營養物質，因為在體外研究中，與交替激活或「M2」極化的巨噬細胞相比，「M1」巨噬細胞表達高水平的誘導型一氧化氮合酶(INOS)。而INOS需要精氨酸來產生具有細胞毒性的一氧化氮，這是一種重要的抗癌反應的促炎介質。
腫瘤微環境內的特定營養缺陷，特別是葡萄糖和精氨酸，會嚴重限制這些細胞的新陳代謝和相關的效應程序的活動。葡萄糖限制不僅會從整體上抑制糖酵解，而且可以抑制PPP活性和TCA循環功能，從而限制NADPH、ROS和琥珀酸的產生，所有這些都可以嚴重限制M1巨噬細胞的功能。支持這一觀點的證據是，用2-DG抑制糖酵解可顯著減少巨噬細胞分泌促炎細胞因子。
樹突狀細胞(DCs)是一類重要的抗原提呈細胞，參與抗腫瘤反應，具有抗原交叉提呈能力的瘤內樹突狀細胞已經成為這一反應的重要組成部分。一旦被激活，樹突狀細胞就會經歷成熟過程，將抗原處理並呈遞給T細胞。這種反應與一種代謝轉換相關，而這種轉換由HIF-1α對LPS活化的響應，以及由PI3K-AKT途徑介導對Toll樣受體的刺激所介導。
在DC激活過程中，這種從OXPHOS向糖酵解的轉變，對於DC的存活、刺激性細胞因子的產生和T細胞的激活是至關重要的。而AMPK的藥理性激活促進了線粒體的生物發生和氧化呼吸，可阻止DC的體外成熟。鑑於這種對有氧糖酵解的嚴重依賴，腫瘤微環境中的葡萄糖競爭可能會顯著抑制DC的激活和活性，從而限制DC能促進T細胞反應的能力。
代謝和腫瘤免疫逃逸
1 適應性免疫抑制的代謝
具有免疫抑制性的Treg細胞優先依賴TCA循環功能和線粒體呼吸。雖然初步研究表明Treg細胞對FAO（脂肪酸β氧化）的依賴性不能解釋依託莫昔爾的非靶點效應，但其他研究表明FAO確實促進了Treg細胞中的OXPHOS過程，儘管它不是作為唯一的途徑。與Teff細胞相比，Treg細胞在體外攝取的葡萄糖減少，GLUT1表達水平降低。雖然糖酵解似乎在Treg細胞分化或長壽表型中並不起關鍵作用，但我們的實驗室已經報導了一組高活性的Treg細胞，稱為效應Treg細胞，依賴於糖酵解的上調來實現最佳功能。
因此，Treg細胞似乎在代謝上是靈活的，這可能允許它們在相對惡劣和不同的條件下生長，比如腫瘤微環境。另外，根據相關研究報導，Treg細胞的轉錄因子FOXP3通過抑制可促進OXPHOS和NAD(H)氧化的MYC來對細胞代謝進行重編程。
在低糖和高乳酸的條件下，如腫瘤微環境中，對這種環境的適應性成了這些免疫抑制細胞的代謝優勢，允許Treg細胞在體外抵抗乳酸誘導的功能和增殖抑制(這一特性與Teff細胞不同)。在體外傾斜實驗中，剝奪培養液中的葡萄糖或穀氨醯胺(導致細胞內α-KG減少)可以改變CD4的分化，並有利於Treg細胞的發育。
與Teff細胞相似，Treg細胞對缺氧的反應並不完全清楚。低氧已被證明能促進Treg細胞在細胞因子的介導下向腫瘤環境中的募集。其他研究已經證明，FOXP3的轉錄本實際上是在HIF-1α誘導下上調的。
此外，與野生型對照相比，敲除了Hif1的過繼轉移Treg細胞在小鼠模型中未能遷移到腦瘤中，這一效應也在二氯乙酸處理的Treg細胞中觀察到，與vehicle處理的對照Treg細胞相比，二氯乙酸處理的Treg細胞的糖酵解受到抑制。有趣的是，在混合淋巴細胞培養實驗中，通過Treg細胞上的腺苷受體A2A的低氧響應性腺苷信號誘導了增殖，並顯著增強了免疫調節活性。
相反的是，幾個研究小組已經報導缺氧誘導的HIF-1α可以破壞Treg細胞的穩定，缺氧可以通過HIF-1α分別與轉錄因子FOXP3和RoRγt直接相互作用來促進TH17 CD4+T細胞生長。
腫瘤微環境中獨特的胺基酸代謝也可以對Treg細胞產生深遠的影響。IDO1在體外可以明顯地促進Treg細胞的分化，這種作用似乎是色氨酸缺乏和下遊代謝物(如犬尿氨酸)產生的次要作用。
犬尿氨酸通過作為T細胞上芳香烴受體的內源性配體，可誘導產生表達FOXP3的Treg細胞。腫瘤微環境中許多不適合Teff細胞的特性，它們要麼使Treg細胞產生了很好的耐受性(針對乳酸和H+升高)，要麼可以誘導Treg細胞的反應(例如，腺苷、犬尿氨酸積累和缺氧)（PS:太上老君把孫悟空放進煉丹爐？？殺不死你的，將使你更強大）。
2 先天性免疫抑制的代謝
儘管腫瘤相關巨噬細胞（TAMs）可以產生高度免疫抑制的表型，但研究目前已被確定為「M2」抗炎巨噬細胞亞群的代謝過程還是有意義的，其特徵在免疫抑制性TAM中非常明顯。和Treg細胞一樣，M2巨噬細胞上調FAO和線粒體呼吸。
雖然早期的研究表明FAO在M2巨噬細胞中是必需的，但沒有考慮CPT1A抑制劑etomoxir的非靶點效應，仍通過過表達Pgc1α引物強制誘導FAO和線粒體的生物發生，使巨噬細胞具有免疫抑制表型，並強烈抑制促炎細胞因子的產生。
M2巨噬細胞以不同於炎症巨噬細胞的方式代謝胺基酸，M2巨噬細胞可表達高水平的精氨酸酶1(ARG1)，ARG1耗盡精氨酸並產生多胺，多胺是傷口癒合的重要介質，但也具有高度的免疫抑制作用。
另一組腫瘤相關的免疫抑制先天細胞，MDSCs，似乎具有高度的新陳代謝活性。與外周MDSCs相比，腫瘤相關MDSCs中的有氧糖酵解和OXPHOS均上調。
在另一項研究中，與對照小鼠脾臟的中性粒細胞相比，來自荷瘤小鼠脾臟的粒細胞MDSCs也發生著有氧糖酵解和OXPHOS的上調。小鼠乳腺癌模型中MDSC的體外擴增和在腫瘤微環境中的聚集可以通過使用2-DG阻斷糖酵解而減弱，這一現象可能是通過增加這些細胞中的ROS水平來實現的。
腫瘤內的缺氧區與巨噬細胞的聚集有關，巨噬細胞通過產生與腫瘤轉移相關的血管生成因子、有絲分裂因子和細胞因子來促進腫瘤的發展。此外，缺氧可促進免疫抑制巨噬細胞表型的產生。低氧誘導產生的腺苷可通過巨噬細胞上的A2A和A2B受體觸發信號，這兩種受體在體外均能增強免疫抑制巨噬細胞的分化和功能，並抑制促炎巨噬細胞釋放細胞因子。培養物中較高水平的乳酸已被證明可促進M2表型，上調ARG1的表達和多胺依賴的免疫抑制效應。三陰性乳腺癌的高糖酵解率可促進MDSC，而限制這些癌細胞的糖酵解則抑制癌細胞分泌粒細胞集落刺激因子和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子，從而限制MDSC的發展。與常氧培養的MDSCs相比，體外缺氧使MDSCs傾向於具有免疫抑制特性的M2樣TAM表型。這一變化的機制核心是HIF-1α，因為在小鼠黑色素瘤模型中，與野生型MDSCs相比，HIF1a基因敲除的MDSCs促進腫瘤的生長。
利用差異代謝可塑性
1差異代謝可塑性的應用
雖然Teff細胞的激活、增殖和功能可以通過抑制許多代謝途徑來減弱，但其他屬性，如長期生存能力或重新刺激時的效應功能，可能會得到增強。雖然用2-DG抑制糖酵解代謝會抑制Teff細胞的生成，但它也能使T細胞向長壽的記憶樣表型轉化。在回輸治療腫瘤之前，在體外T細胞的活化和擴增過程中阻斷糖酵解，不僅可以提高抗腫瘤T細胞的存活率，還可以改善細胞因子的產生和細胞毒性。CD8+Teff細胞對AKT抑制、穀氨醯胺阻斷、缺氧、補充精氨酸和補充鉀的反應也有類似的現象。
代謝有可能對癌症和免疫反應產生不同的影響。例如，醋酸代謝可以挽救受葡萄糖限制影響的CD8+Teff細胞功能。此外，我們的研究團隊最近證明了這一途徑在穀氨醯胺被阻斷的CD8+T細胞中維持代謝穩態方面的重要性。這些發現可能意味著一種普遍的治療策略，因為阻止使用典型的代謝燃料，如葡萄糖或穀氨醯胺，可能會使一些癌症的代謝過程受到破壞，但可能會使抗腫瘤T細胞保持代謝的完整和功能，因為它們有能力使用替代來源，如醋酸。
雖然特定的代謝幹預可以在藥理學上作為檢查點封閉的輔助手段（Table 2），但這些幹預可能更加適用於CAR T細胞治療，在CAR T細胞治療中，對代謝途徑的操作可以通過遺傳手段來精確控制（Box 2）。因此，在特定的免疫細胞亞群和功能範圍內，有必要進一步對代謝的靈活性進行研究。
2.檢查點抑制和免疫代謝
確定免疫檢查點治療的代謝反應和治療有效的代謝決定因素具有重要意義。已有的幾項研究表明，免疫檢查點信號可以調節代謝活動。例如，癌細胞PDL1的表達可以驅動癌細胞中Akt-mTOR的激活和糖酵解，增加葡萄糖的攝取，並增強與T細胞競爭獲取葡萄糖的能力。在人的胃癌組織中，T細胞中的CD155-TIGIT信號抑制了葡萄糖的攝取、乳酸的產生以及糖酵解酶GLUT1和HK2的表達。
相反，與對照T細胞相比，共刺激通路GITR的激動劑廣泛增加了T細胞的代謝活性和增殖。在體外，激活的人類T細胞上的PD1和CTLA4信號抑制了代謝途徑，如與T細胞激活相關的有氧糖酵解。為此，將代謝抑制劑(Table 2)與檢查點抑制劑聯合使用有望提高檢查點封鎖的效果。在小鼠模型中，通過抑制穀氨醯胺代謝來靶向腫瘤代謝，可以抑制腫瘤生長，並使腫瘤微環境更有利於抗腫瘤效應細胞的生長。
此外，代謝重編程後的T細胞所產生的殺傷力更強、持續時間更長的記憶細胞可能會改善它們對檢查點抑制劑的反應。最近聯合使用抗葉酸藥物，培美曲塞，和抗PDL1免疫檢查點阻滯劑的臨床試驗結果已經預示了這一點。培美曲塞除了具有直接的抗腫瘤作用外，還增強了抗腫瘤CD8+T細胞的代謝適應性和效應功能，並誘導癌細胞的免疫性細胞死亡以觸發免疫反應。
結論和展望
雖然許多免疫代謝的基礎都是通過對癌症代謝的觀察來了解的，但很明顯，癌症和免疫代謝重新編程之間存在著明顯的區別，這些差異提供了靶向代謝通路的機會，可以將其作為提高免疫治療效果的一種手段(Fig. 3)。
這樣的方法可以通過許多不同的策略來實現，這些措施包括靶向腫瘤代謝過程以抑制腫瘤生長和改變腫瘤微環境，靶向抑制性免疫細胞的代謝以抑制其功能，以及靶向效應細胞的代謝以增強腫瘤殺傷力。同樣，在過繼細胞回輸治療之前對T細胞代謝途徑進行體外藥理學幹預或基因重編程提供了極大的增強細胞功能的機會，其中可能包括延長細胞壽命或增強效應細胞功能(Box 2)。
未來的研究應該開始集中在腫瘤微環境內免疫細胞和癌細胞之間的代謝相互依賴關係上。除了營養耗竭和代謝產物的產生可以在一定程度上抑制免疫反應外，癌細胞還可以與腫瘤微環境內的其他細胞進行代謝的crosstalk，在這種情況下，代謝程序可以被誘導和協同選擇，以促進腫瘤的惡性進展。據報導，胰腺星狀細胞可以為癌細胞提供丙氨酸，從而促進細胞增殖，骨髓基質細胞可提供半胱氨酸以促進慢性淋巴細胞性白血病細胞的存活。
在另一項研究中，癌細胞的穀氨醯胺代謝過程中產生的氨可通過腫瘤微環境擴散，並觸發腫瘤相關成纖維細胞的自噬，進而提供蛋白質分解產物，如穀氨醯胺本身，以進一步支持癌細胞的新陳代謝。重要的是要了解逃避免疫反應的癌症是否以及通過何種機制選擇/影響免疫細胞的代謝機制，並從其顯著的代謝靈活性中受益。
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撰文丨農民工
排版丨老軍醫
主編丨尤蘭達