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收藏!Nature神子刊的万字重磅抗肿瘤T细胞代谢综述


肿瘤免疫最近的几年是大家研究的热点,也被视为治愈癌症的希望。最近几年随着对代谢领域的深入研究,人们也发现代谢在免疫调节过程中起着非常重要的作用。Nature甚至专门办了一个新子刊《Nature Metabolism》(2020 IF: 13.511 )来接(zhuàn)收(qián)代谢领域的论文。


2021年4月29日,美国匹兹堡大学免疫学系和Hillman癌症中心肿瘤微环境中心的Greg M. Delgoffe教授在著名的《Nature Reviews Immunology》(2020 IF: 53.106)杂志上发表题为《Metabolic barriers to cancer immunotherapy》的综述。在该文中,作者系统性地讨论了在免疫检查点阻断、细胞疗法和溶瘤病毒治疗的背景下,抗肿瘤T细胞反应的代谢过程,并对新出现的组合策略进行了探讨。

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摘要


肿瘤微环境的一些非冗余(non-redundant)特征可导致免疫抑制并限制抗肿瘤免疫反应。其中包括免疫浸润的物理障碍、抑制性免疫细胞的招募以及肿瘤细胞上与免疫细胞上抑制性受体所结合的配体的上调。关于肿瘤微环境对抗肿瘤T细胞的代谢限制其重要性的最新研究,已为免疫治疗的抗肿瘤策略提供了重要信息。针对代谢限制的治疗方法,如低葡萄糖水平、低pH值、缺氧和抑制性代谢物的产生,已表现出可作为不同类型癌症综合治疗方法的前景。在本综述中,我们将讨论在免疫检查点阻断、细胞疗法和溶瘤病毒治疗的背景下,抗肿瘤T细胞反应的代谢过程和内容,并对新出现的组合策略进行探讨。


引言


自2011年FDA批准首个免疫检查点抑制剂以来,癌症免疫治疗领域的热度呈指数级增长:作为单药或联合治疗,以CTLA4或PD1为靶点的单克隆抗体的检查点阻断疗法,现在已被批准用于至少13种癌症。FDA也首次批准了一种溶瘤病毒(OV)(T-VEC),而嵌合抗原受体(CAR)T细胞的过继转移疗法已成为某些血液恶性肿瘤的标准治疗方法。然而,许多癌症患者对免疫疗法依然没有反应,就CAR T细胞而言,其在治疗实体瘤方面的应用基本上是不成功的。尽管许多可溶性的、细胞的和细胞内的因素会引起对免疫疗法的抵抗,但代谢通路在决定T细胞命运和抗肿瘤免疫功能方面的作用开始引起了人们的极大兴趣。

基于检查点抑制、过继细胞疗法(ACT)和OVs的抗肿瘤免疫治疗策略都需要持续的效应T细胞反应来诱发持久的临床反应。这些T细胞,无论是内源性的还是过继转移的,都必须进入肿瘤微环境(TME)并在其中茁壮成长。肿瘤缺氧、低pH值、抑制性代谢物和低营养供应都会阻碍T细胞产生最佳效应功能。

每一种免疫疗法都会在不同的阶段影响T细胞反应:阻断CTLA4可解开对T细胞启动和激活的限制;阻断PD1可解开对TME中PD1低的祖T细胞群激活的限制;OV疗法可诱导启动和激活新的抗病毒和抗肿瘤反应。ACT则绕过了对激活和扩增的限制;然而,由于这些扩增条件,细胞可能会经历代谢压力,并在进入肿瘤后经历代谢限制(图1)。

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目前,在这些治疗干预的背景下,效应T细胞在肿瘤中所经历的代谢限制并没有得到解决。尽管许多患者可对这些疗法产生反应,而不需要额外地靶向/解决代谢障碍,但结合目前的治疗干预措施,解决TME中免疫反应的代谢限制和挑战可能会提高治疗的反应率。

在本文中,我们讨论了不同代谢通路在抗肿瘤免疫细胞功能中的作用,特别关注这三类已被批准的免疫疗法:检查点阻断、过继细胞疗法和OVs。此外,我们还讨论了可改善治疗反应的靶向代谢障碍策略。

TME中的代谢关系


癌症的一个特点是持续增长和细胞增殖,同时可避免细胞死亡,这需要相当大的能量成本。虽然人们早就知道肿瘤细胞的固有代谢可以塑造TME,但直到最近,这种发生代谢改变的组织对非转化细胞(如浸润性免疫细胞)的影响还没有得到重视。然而,营养物质、代谢物和免疫细胞之间的相互作用很可能在免疫编辑和肿瘤逃逸中发挥重要作用(图2)。


尽管存在足够水平的氧气进行氧化磷酸化(OXPHOS),肿瘤细胞仍利用糖酵解产生能量(ATP)的能力,从而有了更高效的ATP生成通路,这是由Otto Warburg在20世纪初发现的,并被称为“Warburg效应”。利用葡萄糖进行糖酵解和细胞快速增殖使TME耗尽了浸润免疫细胞(如效应T细胞)所需的营养,同时也使TME中积累了丰富的免疫抑制代谢物。

然而,TME内的营养和氧气供应并不均匀,由于不同的肿瘤细胞群对“燃料”的摄取不同,因此会出现营养耗竭和缺氧的情况。这种变化可能取决于肿瘤类型和肿瘤位置。处在营养受限的肿瘤部位可能会对T细胞形成代谢压力,这可能会影响它们的分化和功能。

然而胰腺导管腺癌的小鼠模型结果表明,与血浆相比,一些营养物质在TME内也可能过剩。肿瘤对葡萄糖的高利用率也生成了大量的副产品—乳酸,它降低了TME的pH值。这可能会抑制T细胞的细胞溶解活性(cytolytic activity)和细胞因子的产生。此外,不论其低pH值的特性如何,乳酸都是一种对免疫细胞群有不同影响的代谢物,并已被证明可将巨噬细胞极化为耐受性M2型,并改变调节性T细胞(Treg细胞)的代谢以维持其在低葡萄糖环境中的活性。

进行快速增殖的肿瘤细胞也需要增加血流量以将营养物质和氧气输送到TME,并经常释放血管生成因子。这可能导致混乱的(disorganized)血管形成现象,并在肿瘤中形成极度缺氧区,从而限制了免疫细胞的浸润,使得免疫抑制性代谢副产物进一步积累。有趣的是,这些代谢变化中有许多虽然并不利于效应性T细胞的功能,但却能支持或者至少不会对抑制性免疫细胞(如Treg细胞或抑制性骨髓细胞)产生负面影响。

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代谢重编程在T细胞的分化和激活中起核心作用,因为从静止到激活、增殖、分化和浸润的这些转换过程有着沉重的能量负担。因此,在T细胞中代谢通路具有免疫调节的作用,这一点在文献中也得到了回顾。代谢在调节表观基因组方面的作用,以及对细胞命运的影响也在最近的其他综述中得到了回顾。

分化的T细胞的不同亚群利用不同的代谢程序。经典的幼稚T细胞处于静止状态并可能终生存在,其代谢活动也最少。然而,新近激活的T细胞(效应T细胞)可迅速提高葡萄糖的摄取和相关的有氧糖酵解,使核苷酸的合成能够满足快速增殖并产生ATP,同时解除翻译抑制以促进细胞因子的产生。它还会释放三羧酸(TCA)循环的中间产物,以产生可参与细胞信号、生物合成反应(如产生氨基酸和表观遗传修饰)的代谢副产品。例如,在上调葡萄糖代谢的同时,T细胞也参与代谢程序,迅速吸收和代谢谷氨酰胺,谷氨酰胺以α-酮戊二酸的形式进入TCA循环。谷氨酰胺可以通过TCA循环支持OXPHOS,但α-酮戊二酸也可以直接与去甲基化酶机制发生相互作用,促进表观遗传学的调节。

此外,静止的和激活的T细胞都可吸收外源性脂质,并能氧化细胞内储存的脂质。β-氧化在有氧气的情况下是一种产生ATP非常有效的方法。因此,新激活的经典T细胞可以通过多种营养物质来源为其增殖和分化提供燃料,以形成一个具有不同效应功能的克隆种群。

然而,并不是所有的T细胞在激活后都会进行这些代谢转换。Treg细胞的糖酵解率很低,主要是利用脂肪酸氧化进行代谢。目前还不清楚这是否是在没有糖酵解的情况下产生能量的默认通路,或者这是否是Treg细胞的固有代谢通路。Treg细胞确实会上调脂肪酸转运体的转录;然而,它们也可以吸收替代代谢物,如丁酸和乳酸。无论如何,这种能量生成通路可能使Treg细胞在TME内发挥最佳功能,而经典的CD4+T细胞和CD8+T细胞的活动则受到影响。值得注意的是,对Treg细胞代谢的研究并不充分,特别是在特定组织和疾病状态的背景下,T细胞代谢需求的许多方面尚未阐明。

鉴于趋化性和运动性对细胞的能量需求很高,T细胞的代谢影响着它们在二级淋巴器官(SLO)和组织中的转运(trafficking)。在新生的T细胞激活期间,PI3K-AKT-mTOR轴会降低SLO归巢受体CD62L、CCR7和S1P1的表达,同时增加趋化因子受体CXCR3和CCR5的表达,以促使其从SLO转出。相比之下,在激活的效应T细胞分化为长寿记忆细胞期间,低mTOR活性会引起CD62L和CCR7表达增加,增强转运和监视功能。在分化的步骤中,也有一个代谢转变,即由IL-15所促进的线粒体氧化代谢增加,IL-15是支持记忆T细胞分化的重要细胞因子。

事实上,在记忆性T细胞中,mTOR复合体对葡萄糖和氨基酸等营养物质和相对ATP水平的感应可刺激线粒体的生物生成(biogenesis)过程,这使得线粒体的呼吸能力增加,并允许在有压力情况的下(如营养物质匮乏)有效利用代谢通路。大多数长寿细胞依靠线粒体代谢产生能量,因此通过发生在线粒体膜的OXPHOS来产生能量,以支持这些细胞能够长期存活。

总之,T细胞需要各种燃料来源来有效地激活、增殖、分化、归巢到各组织部位、搜索抗原并发挥其效应功能。由于这些步骤中的每一个步骤所利用的代谢通路都是不同的,在不同的组织部位获得不同的营养物质也可以改变T细胞分化和功能的途径。这对抗肿瘤免疫至关重要,因为在抗肿瘤免疫中,T细胞的激活、组织归巢、抗原识别和细胞毒性的“正常”规则被TME的抑制机制所歪曲。


检查点阻断


免疫检查点分子一般是由T细胞等免疫细胞所表达的共抑制性受体,对预防自身免疫病和免疫病理学至关重要;然而,在肿瘤中,它们却可以抑制抗肿瘤免疫反应。检查点分子或其配体由TME中各种类型细胞所表达。在本文中,我们将重点讨论临床上最常靶向的检查点分子:CTLA4PD1

基于检查点阻断的免疫疗法依赖于患者体内预先就存在的抗肿瘤反应,即能够重新激活被抑制的(smouldering)浸润性免疫细胞。然而,患者的肿瘤特异性T细胞数量可能很少,或者完全缺乏抗肿瘤反应。

尽管在TME内可能有许多不同抑制免疫反应的机制在起作用,但低pH值和低氧、抑制性代谢物的存在以及葡萄糖和营养物质的供给减少都给T细胞带来了代谢障碍。此外,T细胞激活时也会发生其固有的代谢障碍,这一障碍可由检查点分子促使发生。例如,CTLA4和PD1信号可通过减少AKT的激活来干扰糖酵解,尽管是通过不同的机制实现的。PD1结合后可通过其细胞质尾部的抑制域来降低PI3K信号,而CTLA4的结合并不会干扰PI3K信号,而是可能通过蛋白磷酸酶2A(PP2A)来降低AKT活性。

此外,PD1结合也可能诱导代谢转向增加脂肪酸的氧化;然而,在CTLA4激活时,并没有观察到这种转变。CTLA4在T细胞启动(priming)期间与SLOs中T细胞的CD28结合,并可能会阻止激活其所诱导的糖酵解,从而抑制已激活的T细胞转化为完全分化的效应细胞。相比之下,T细胞表达PD1升高的时期较晚,而且最突出的是持续激活;在肿瘤中,当T细胞遇到TME中表达PDL1的细胞时,PD1结合就会发生。因此,PD1结合可能会限制T细胞激活时增加糖酵解,从而限制T细胞在TME内的增殖和效应功能。由于CTLA4和PD1都阻碍了在激活期间T细胞发生糖酵解上调,用提高糖酵解的治疗方法来增强CLTA4靶向和PD1靶向检查点阻断可能会增强患者的治疗反应。

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线粒体代谢


线粒体对细胞功能来说至关重要,除了产生ATP,它们还产生脂质、蛋白质和核酸的关键前体,并帮助适应细胞外和细胞内的应激,如DNA损伤、营养和氧气剥夺、内质网和氧化压力。因此,线粒体功能的变化对细胞的生存和功能有着重要影响。例如,我们发现从小鼠B16黑色素瘤TME中分离出的T细胞表现为线粒体功能下降和超微结构不良(超微结构是电子传递链活动所必需的),以及线粒体数量(mass)降低。这些特征被发现是与线粒体生物生成有关的转录程序被抑制的结果,最明显的是转录协同激活因子PGC1α。

这些变化伴随着衰竭表型的发展,因此,最终衰竭的T细胞具有最严重的线粒体缺陷。重要的是,这些线粒体缺陷在慢性病毒感染的衰竭T细胞中也能观察到。用PD1阻断治疗并不能逆转肿瘤浸润性T细胞的线粒体缺陷。然而,在小鼠身上的实验表明,通过遗传或药物手段增加T细胞的线粒体生物生成,不仅能恢复它们在肿瘤中的功能,而且还表现出可与PD1阻断产生协同效应。

与单独的PDL1靶向治疗相比,用PPARα激动剂苯扎贝特(bezafibrate)加强线粒体的生物生成和增加脂肪酸氧化,可减少CD8+T细胞对糖酵解的依赖,改善小鼠T细胞肿瘤浸润。共刺激疗法,例如通过使用共刺激分子4-1BB的激动性抗体,也可以促进人类和小鼠T细胞的线粒体生物生成,并在小鼠模型中与PD1靶向疗法有协同作用。

最近有研究表明,TME中T细胞的慢性抗原刺激可直接影响线粒体功能并导致衰竭表型的发生。慢性抗原刺激、缺氧条件和PD1信号都有助于线粒体活性氧的产生,并通过诱导表观遗传学方面的改变以进一步促进衰竭的T细胞表型。靶向这种氧化剂的不平衡可以与检查点阻断产生协同作用,提高抗肿瘤功能。这些数据表明,线粒体在抵消“衰竭”表型方面起着关键作用,因此,代谢较好、线粒体表型和竞争营养能力较强的T细胞更有可能对PD1阻断产生反应。

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缺氧


线粒体需要氧气才能发挥最佳功能,而氧气在TME中通常是有限的。肿瘤的缺氧情况可能因其来源组织和肿瘤内区域的不同而有所不同。肿瘤核心区的缺氧程度通常会更高,因为不规则的血管系统、从血管到肿瘤核心区的距离较远,以及肿瘤本身有消耗氧气的倾向等因素,都会导致氧气灌注不足。小鼠其肿瘤的氧化代谢增加,会使得缺氧更严重,进而有更多终末衰竭的T细胞浸润,并表现为免疫活性下降。这些肿瘤对PD1靶向治疗没有反应。这些发现也与患者的临床数据存在相关性,在这些数据中,氧化代谢利用率较高的肿瘤患者更有可能对PD1阻断剂没有反应。

由于氧气是线粒体功能和免疫细胞,特别是T细胞的功能和分化所需能量和表观遗传学变化的关键决定因素,缓解缺氧可以促进抗肿瘤免疫,提高抗肿瘤免疫治疗反应。例如,有研究表明,补充氧气可以降低肺部肿瘤小鼠的免疫抑制性腺苷的水平,增加CD8+T细胞浸润和炎性细胞因子的产生水平,并降低Treg细胞介导的免疫抑制,从而提高生存率。

当用二甲双胍(可作用于肿瘤细胞以降低其线粒体活性)治疗肿瘤小鼠时,肿瘤缺氧程度降低,T细胞对抗PD1的治疗反应也得到改善。使用低氧激活的原药(prodrug)evofosfamide也能产生类似的结果,它能降低前列腺癌小鼠模型中的肿瘤缺氧水平,而抗VEGF抗体也能使CT26(一种结直肠癌小鼠模型)的血管正常化。

综上所述,这些数据表明,氧气水平不足要么会阻碍T细胞的成功激活,要么会促使T细胞衰竭,这都可能会促使产生对检查点阻断疗法的抵抗。因此,确定肿瘤的代谢情况可能会帮助识别出能产生治疗反应的患者,并为潜在的联合疗法提供支持。

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糖酵解和谷氨酰胺分解


肿瘤细胞会在TME中与效应T细胞竞争葡萄糖。CD4+T细胞和CD8+T细胞的增殖和细胞因子的产生也需要糖酵解过程中所产生的中间产物。例如,2-磷酸烯醇丙酮酸(PEP)是糖酵解代谢上游的一个中间产物,其对于Ca2+信号和转录因子NFAT在T细胞受体刺激下的核转位至关重要。

同样,糖酵解本身可以通过抑制糖酵解酶(如GAPDH和LDH)的RNA结合“兼职(moonlighting)”功能来控制T细胞的效应功能。这些代谢酶已被证明可在代谢性糖酵解期间与mRNA结合,阻止其的有效翻译。因此,尽管TME中的葡萄糖水平低,从糖酵解到氧化代谢的转变仍可能有助于维持效应功能。调控肿瘤内效应T细胞的这种代谢转换已在临床前研究中表现出了应用前景。

由于肿瘤细胞具有较高的糖酵解率,所以它们也可能产生大量的副产品—乳酸;事实上,在各种类型的癌症患者中,血清的乳酸水平已被证明与较高的肿瘤负荷相关。乳酸通过降低增殖和细胞因子的产生而对CD4+T细胞和CD8+T细胞具有抑制作用。乳酸可以通过消耗细胞内的NAD+水平来抑制效应T细胞,因为LDH需要利用乳酸来生成NADH。

有趣的是,这一现象并会不发生在抑制性Treg细胞中;通过线粒体代谢产生的NAD+仍能使Treg细胞在高乳酸盐环境中继续发挥作用,而传统的T细胞在这种环境中则会受到抑制。最近的研究表明,敲除(deletion)Treg细胞上的乳酸盐转运体MCT1可以选择性地抑制其在富乳酸盐的TME中的免疫抑制功能。它还会降低CD4+T细胞和CD8 T+细胞的运动能力,这可能是因为降低它们在TME中的浸润和在TME内的移动。用药物性抑制剂阻断乳酸转运体MCT1和MCT4,可通过阻止乳酸释放,降低肿瘤的酸化。在乳腺癌的小鼠模型中,与单独使用检查点阻断剂相比,MCT1/MCT4阻断剂与免疫检查点阻断剂联合使用,其治疗反应明显。

谷氨酰胺是细胞发挥功能所需的一种重要氨基酸,其在产生能量和作为代谢中间物方面具有同样重要的作用。进入细胞后,谷氨酰胺被谷氨酰胺酶转化为谷氨酸,谷氨酸进一步转化为α-酮戊二酸,后者再进入TCA循环,产生可用于生成脂质、核酸和蛋白质的代谢中间体。许多癌细胞由于缺乏合成谷氨酰胺的酶,而依赖外源性谷氨酰胺。

然而,这也取决于肿瘤类型和致癌驱动因素,事实上,一些肿瘤类型,如非小细胞肺癌,实际上表现出谷氨酰胺合成增加。谷氨酰胺的代谢可促进T细胞的激活和增殖,因此,由于肿瘤的高消耗,TME中若缺乏谷氨酰胺则可能会抑制T细胞的活性。

研究表明,用谷氨酰胺拮抗剂6-重氮-5-氧代-L-亮氨酸的原药(prodrug)治疗MC38肿瘤小鼠(一种结肠癌小鼠模型),该药可与一些谷氨酰胺利用酶的活性部位结合,降低肿瘤内的葡萄糖和谷氨酰胺代谢,增加TME内这两种营养物质的可用性。联合使用靶向PD1检查点的阻断剂诱导了治疗的完全反应,以及在肿瘤复发时的记忆反应。这些反应是由于CD8+肿瘤浸润性T细胞的代谢可塑性,与肿瘤细胞相反,它们可以增加乙酸盐的代谢,从而促使发生OXPHOS和产生乙酰辅酶A。如上所述,这些氧化性更强的CD8+T细胞也更活跃,寿命也更长。然而,对于不利用外源性谷氨酰胺的肿瘤来说,这种综合疗法的效果可能会降低。

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其他代谢通路


蛋氨酸是一种对T细胞分化很重要的必需氨基酸。细胞内蛋氨酸水平的降低可导致表观遗传甲基供体‘S-腺苷-L-蛋氨酸’水平降低。例如,有研究表明,在低蛋氨酸条件下培养的或从小鼠或人类肿瘤中分离出的CD8+T细胞其‘S-腺苷-L-蛋氨酸’水平降低,以及组蛋白H3赖氨酸79(H3K79me2)的二甲基化程度也降低了,导致STAT5的表达减少。STAT5信号是T细胞对IL-7和IL-15产生反应的关键,IL-7和IL-15也是T细胞记忆发展的关键细胞因子。

人类结直肠肿瘤细胞比T细胞有着更高的蛋氨酸转运体SLC43A2的表达,这可能使它们更能在TME中与T细胞竞争蛋氨酸。在小鼠卵巢癌(ID8)和黑色素瘤(B16F10)模型中对这种转运体进行药物抑制会增加T细胞对蛋氨酸的可利用性,而且这种药物与检查点阻断剂联合使用也会改善对肿瘤的控制,增加T细胞细胞因子的产生。这些数据表明,代谢物可用性的改变可能导致在耗竭的肿瘤浸润性T细胞中发生表观遗传学特征的改变。靶向T细胞中的甲基化与检查点阻断相结合,可能会增强T细胞的活性。

细胞外精氨酸的缺乏也已被证明会降低T细胞的增殖。精氨酸酶1(ARG1)由TME中的髓源性抑制细胞表达,可消耗肿瘤内的精氨酸水平。当ARG1抑制剂与检查点阻断疗法联合使用时,研究人员观察到了一些成功的结果。然而,由于低水平的精氨酸主要影响T细胞增殖,而T细胞增殖的主要部位是在引流淋巴结,鉴于还没有测量到引流淋巴结中的精氨酸水平,目前尚不清楚靶向这一通路有多大的意义。


过继细胞疗法(ACT)


用于ACT的治疗性T细胞在含有过量营养物质的体外培养基中可发生激活和扩增,使这些细胞能摆脱在肿瘤部位的启动、扩增和初始分化过程中可能存在的代谢障碍。一旦T细胞转移,这些细胞必须进入肿瘤(这也是一个代谢繁重的过程),并在营养受限的TME中执行效应功能。ACT提供了一个独特的机会,能在转移前的增殖扩张过程中消除这些代谢障碍。这一目标可通过在转移前调节细胞以改善其代谢能力,或通过全身治疗以支持转移性T细胞的代谢来实现。

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代谢调节以增加记忆细胞的生成


被转移的细胞的持久性及其分化成记忆细胞是ACT的关键要素。例如,研究已经证明CAR T细胞的持久性与更好的肿瘤清除率和更高的生存率相关。从中央记忆T细胞中所提取用于过继转移的细胞,可以在体内产生更持久的记忆表型。大量的研究表明,T细胞向记忆细胞的分化很大程度上主要取决于特定代谢通路的活性情况(prevalence)。IL-15可促进线粒体的生物生成和肉碱棕榈酰转移酶1A(CPT1A)的表达,这是一种参与脂肪酸氧化的酶。在记忆T细胞中,CPT1A可支持细胞从糖酵解到氧化代谢的转变。这种代谢转变可以通过特定的培养条件或通过对ACT的T细胞进行体外遗传操作来实现。

使用糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖抑制糖酵解,并在减少线粒体活性氧产生的条件下培养细胞,都被证明可支持“干性”(自我更新能力),并提高用于ACT的T细胞的抗肿瘤活性。虽然临床上所使用的靶向CD19的CAR T细胞产品是由效应T细胞产生的,并依靠糖酵解来产生能量,但由记忆T细胞产生的CAR T细胞主要利用OXPHOS。调整体外扩增条件,如采用IL-15与IL-7组合、IL-15与L-精氨酸组合的补充培养基以增强OXPHOS,可在扩增阶段保留记忆表型。

用雷帕霉素处理也被证明可以促进记忆T细胞的分化,部分性地是通过抑制mTOR,以及促进氧化代谢和提高线粒体的数量(mass)和功能。这似乎可以改善它们的持久性,以及它们被再次刺激后的增殖扩张和细胞因子的产生。这种记忆表型也可以通过设计具有增强型线粒体代谢的CAR T细胞来加强。这一目的也可以通过将嵌合受体的CD28衍生信号部分替换为包含有来自共刺激分子4-1BB信号结构域的构建体(construct)来实现,从而增加细胞线粒体的生物生成,并提高备用(spare)呼吸能力和脂肪酸氧化水平,与基于CD28的CAR T细胞相比,ACT后的T细胞其持久性也更好。

然而,ACT产品的通常培养条件可能不支持发展出有效的长寿记忆T细胞。与人血浆相比,经典的培养基是高血糖性的(25mM VS 4.5-5.5mM),同时氨基酸和代谢物的浓度也有许多差异。在用于ACT的细胞的体外培养过程中,用2-脱氧-D-葡萄糖阻断糖酵解,会提高细胞注射转移后的肿瘤清除率,证明在扩增过程中高葡萄糖浓度具有潜在的破坏性影响。此外,培养时间较短的CAR T细胞似乎比培养时间较长的细胞有更好的效果。这主要归因于转移时细胞的分化程度较低,但也可能是在高血糖条件下停留时间较短的结果。

因此,通过设计CAR或在扩增过程中用代谢调节剂处理细胞,改变T细胞的代谢情况可能有助于稳定类似记忆的表型,从而提高T细胞的持久性和有效性。重要的是,这些策略是在CAR T细胞应用于病人之前就采用的,因此相对容易实施。

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营养物质的可用性


高糖酵解的肿瘤更有可能产生对ACT治疗的抗性,因为这种环境条件会抑制T细胞的转运(trafficking)和T细胞的细胞毒性,这也表明转移到体内的细胞需要葡萄糖。细胞可以被改造以克服TME中葡萄糖的缺乏,提高其抗肿瘤活性。由于肿瘤中低水平的葡萄糖在刺激后会降低PEP水平和T细胞受体信号,通过增加PEP水平可以抵消这种情况并改善ACT。增强(Enforced)表达磷酸烯醇丙酮酸羧基酶1(PCK1),将草酰乙酸转化为PEP,可增加细胞内PEP水平,以支持T细胞的生存,并能更好地控制肿瘤生长。

通过在模拟TME的条件下培养CAR T细胞,可以使细胞“适应”低营养供应的环境。例如,有研究表明,与在传统培养基中所培养的细胞相比,在谷氨酰胺水平较低的培养基中所扩增的T细胞在过继转移后产生了有效的抗肿瘤功能。这些低营养素条件培养出的细胞在过继转移后偏向于记忆样的表型,并抑制性受体的表达也较少。正如在检查点抑制的研究中所观察到的那样,降低T细胞对糖酵解的依赖能改善它们的抗肿瘤功能。然而,与检查点抑制相比,ACT允许在细胞过继转移回患者体内之前进行干预,而在应用检查点抑制疗法的情况下,靶向T细胞代谢的干预措施则必须作为联合疗法来进行。

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缺氧


如上所述,低氧水平是TME中的T细胞发挥功能的一个关键障碍。细胞对低氧的反应主要由转录因子低氧诱导因子1α(HIF1α)的激活所控制。其可诱发增殖、代谢和其他重要细胞机制的变化,以保护细胞免受损害和死亡。这在实体瘤中尤其重要,因为那里的氧气水平可能低至0.3%。

已获临床批准的靶向CD19的CAR T细胞被发现在缺氧条件下其效应功能下降,增殖率降低。开发基于CAR T细胞的实体瘤疗法特别具有挑战性,部分原因可能是由于它们在低氧环境下的表现不佳。在低氧水平的培养基中扩增治疗性T细胞以适应低氧环境已被证明可以增加其转移到体内后的抗肿瘤活性。在将治疗性T细胞转移到小鼠肺部(LLC)或黑色素瘤(B16F10)模型之前,先敲除(deletion)治疗性T细胞中的HIF1α,会导致T细胞中在肿瘤中的浸润减少,肿瘤负荷增加,这一结果表明适应低氧水平的能力对T细胞反应至关重要。

研究已经证明,使用效应T细胞进行ACT比使用幼稚或记忆T细胞更有效。然而,大量证据表明,与从效应细胞产生的CAR T细胞相比,从记忆T细胞产生的CAR T细胞在反应的持久性和耐用性(durability)方面都有很大的优势。与其从一个可能在缺氧环境里表现更好的细胞群中获得用于ACT的细胞,不如将记忆T细胞的使用与缺氧缓解相结合,这可能是一个更好的策略。总之,这些数据表明T细胞适应缺氧的能力对发挥抗肿瘤活性有着重要作用。

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TME特有的代谢物


存在于TME中的某些代谢物可以对抗肿瘤免疫反应产生抑制作用。Treg细胞、B细胞、肿瘤相关巨噬细胞、肿瘤细胞和肿瘤血管的内皮细胞可表达能将ATP代谢成腺苷的胞外酶CD39和CD73。虽然ATP具有免疫刺激作用,但腺苷会抑制免疫细胞的效应功能。例如,有研究表明,拮抗小鼠体内的腺苷A2A受体可改善CD8+T细胞的效应功能。在乳腺癌小鼠模型中,将靶向腺苷A2A受体与CAR T细胞治疗相结合,可以提高治疗效果。

此外,由于低pH值可导致TME中Ca2+、K+和Cl-发生离子不平衡,肿瘤对离子门控通道的高使用率以及坏死肿瘤所释放的离子都会影响T细胞的功能。这是因为离子门控的Ca2+信号传导对T细胞的生存和功能很重要。也有研究表明,在T细胞中过表达K+外流泵可以改善大量K+在细胞中的转运情况,增加干扰素-γ的产生、肿瘤的清除和小鼠模型中T细胞过继转移后的生存。这表明,TME中离子的不平衡可能破坏T细胞的信号,并导致T细胞功能丧失。改造细胞以使其更好地在这种条件下发挥作用,可能会改善实体瘤的ACT疗法效果。

如上所述,低精氨酸水平也会影响T细胞的增殖。在患有急性骨髓性白血病的儿童患者中,发现其外周血中的精氨酸水平低于健康对照组;这可能会妨碍CAR T细胞过继转移后的增殖和维持。与不表达精氨酸合成酶的CAR T细胞相比,改造成表达精氨酸合成酶OTC和ASS的CAR T细胞可在精氨酸缺失的环境中表现出更好的增殖情况,并提高小鼠的存活率。


溶瘤病毒


OVs可以选择性地感染和裂解肿瘤细胞。细胞死亡以免疫原性的方式发生,主要激活CD8+T细胞驱动的适应性免疫反应,能够产生记忆反应。新产生的CD8+T细胞可以靶向原发感染的病灶和转移部位。因此,与ACT类似,OVs对现有免疫浸润细胞很少或没有的患者来说是一种有吸引力的治疗方式,因为它们可对肿瘤和肿瘤裂解过程中释放的病毒抗原可以产生新的免疫反应。对于OV所引起的T细胞介导的抗病毒和抗肿瘤反应,新生的T细胞必须被适当地激活,也必须成熟后前往肿瘤中。然后,这些T细胞也会遇到与检查点阻断所激活的T细胞或ACT转移的T细胞相同的代谢挑战。

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增强病毒的复制和裂解能力


OV领域的大量研究工作都集中在增强病毒复制和溶解细胞的能力上。最近,科学家们也在研究代谢调节剂增强OV复制和OV细胞裂解能力的潜力。然而,人们对OV疗法的作用机制并不完全了解,目前还不清楚在多大程度上需要病毒的复制和裂解能力来发挥疗效。

肿瘤细胞的代谢偏向于OXPHOS时,可以使病毒更容易复制,肿瘤细胞也更容易被病毒所裂解。使用新城疫病毒(NDV)和二氯乙酸(DCA)(一种诱导代谢向OXPHOS转变的丙酮酸脱氢酶激酶抑制剂)处理肿瘤小鼠后,可以增加NDV的复制。与单独使用NDV治疗相比,NDV和DVA联合治疗后,肿瘤细胞释放的乳酸及其所吸收的葡萄糖减少,小鼠的存活率增加。

虽然目前还没有直接研究,但人们可能期望,在这项研究中,DCA处理后的动物肿瘤其乳酸释放减少和葡萄糖吸收减少可能改善了细胞毒性T细胞的反应,此外还可能对OV也有影响。在临床前模型中,用DCA和溶瘤重组病毒或溶瘤麻疹病毒处理肿瘤细胞后也提高了肿瘤细胞的裂解和改善了病人生存情况。当用糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖抑制糖酵解时,对溶瘤腺病毒的实验也观察到类似的结果。

然而,这些研究并没有研究肿瘤细胞中氧化代谢增加时对免疫反应的影响。氧化代谢增强的肿瘤往往更加缺氧,这可能就会抑制T细胞的反应。因此,识别具有氧化代谢特征的肿瘤作为OV治疗的选择标准可能是有用的,而不是将肿瘤代谢转向OXPHOS作为治疗策略的一部分。

对其他代谢通路和转运分子的调控可以发现病毒复制和肿瘤细胞死亡所需的未知代谢物。例如,疫苗病毒不需要葡萄糖和糖酵解,但需要谷氨酰胺和TCA循环才能充分复制。另一项研究发现,当与甲羟戊酸通路的抑制剂联合使用时,对肿瘤病毒感染和裂解有抵抗力的肿瘤细胞会重新变得敏感。在一项改造水泡性口炎病毒复制的溶质转运体的CRISPR筛选中,一个被敲除了锌输出体SLC30A1的肿瘤细胞系表现出病毒复制和肿瘤死亡减少。诸如此类的研究确定了病毒对复制和裂解的条件和要求,可能有助于识别出具有OV反应性的肿瘤患者。

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与OVs的联合治疗


OVs,特别是DNA病毒,可以被改造成向肿瘤细胞传递编码免疫或代谢调节因子的基因。例如,基于疱疹病毒的OV T-VEC已被批准用于治疗黑色素瘤,它携带编码免疫刺激细胞因子GM-CSF的基因,GM-CSF可增加树突状细胞的激活和抗原表达。还有人在努力改造OV,以编码其他细胞因子或甚至靶向PD1的阻断抗体。这种策略也可以扩展到代谢调节剂。

通过工程化的疫苗病毒株来迫使肿瘤细胞产生免疫代谢的脂肪因子瘦素,我们证明其对重塑TME和改善抗肿瘤免疫的效果。用这种OV治疗的动物肿瘤浸润性T细胞表现出更高的干扰素-γ和TNF表达量,线粒体数量增加,呼吸能力和增殖能力增加,而且在小鼠黑色素瘤模型中,使用了编码瘦素的OV后的小鼠比使用没有瘦素的相同OV的小鼠有更长的生存期。重要的是,瘦素在TME中的分泌促进了记忆性前体T细胞的发展,这一特性为在肿瘤复发时带来了生存优势。

许多OVs,如疫苗病毒、NDV和水泡性口炎病毒,已被证明能诱发肿瘤中的血管萎缩(collapse)。这最初被认为是有益的,因为它将病毒保持在肿瘤内并促进了肿瘤细胞的死亡;然而,它也妨碍了免疫细胞的浸润,并可能增加局部缺氧情况从而不利于免疫浸润。用3TSR(一种与CD36结合并抑制血管生成的重组血栓软骨素1蛋白,可促进血管正常化)对肿瘤小鼠进行预处理,然后再用NDV,与只用3TSR或NDV的单一疗法相比,前者降低了组织缺氧,提高了肿瘤的消退率,也增加了CD8+T细胞的浸润。这表明在用OVs治疗期间,氧的灌注对肿瘤控制和免疫细胞浸润的重要性。

对代谢、OVs和免疫反应的研究是一个不断发展的领域。从这些研究中所获得的见解将有助于识别出更有可能对OV疗法产生反应的患者。目前正在研究OV T-VEC与靶向PD1检查点阻断的联合疗法。OVs也正在临床前的模型中与CAR T细胞联合使用,以期改善实体瘤的治疗反应。该病毒可以被进一步改造以能肿瘤中产生细胞因子,如RANTES和IL-15,或TNF和IL-2,从而改善CAR T细胞的转运并提高其持久性。


展望


近年来,人们对 "免疫代谢 "领域的兴趣大大增加,不仅揭示了从代谢角度对免疫调节的很多见解,而且还揭示了其重要的潜在治疗应用。癌细胞高度依赖于能够促进其快速增殖的代谢通路,所以这种干预是一个很有吸引力的方向。

首先,随着这些治疗方法在临床上的应用,重要的是要了解患者群体的异质性。就其对糖酵解的依赖而言,不同类型的肿瘤之间、同一类型的肿瘤患者之间、同一患者的不同肿瘤之间,甚至同一肿瘤的不同区域之间都存在差异。如何整合这些信息并用于设计免疫治疗策略,以利用患者的肿瘤特殊代谢,是一个重要的研究方向。

利用通量分析(flux analysis),我们已经发现,肿瘤氧化代谢增强的患者不太可能对PD1阻断产生反应;然而,这种肿瘤似乎对溶瘤病毒疗法更敏感。同样,高比率的肿瘤细胞糖酵解已被证明会对过继细胞疗法构成障碍。代谢成像(PET扫描)、缺氧染色和活检样本的分析都可能有助于临床医生用来确定病人的最佳综合治疗策略。

其次,肿瘤细胞代谢的异质性也必须在患者自身系统代谢的大背景下加以理解。肥胖在发达国家是一个日益严重的问题,饮食驱动和体重驱动的系统性代谢变化可能会影响癌细胞的启动性致癌转化及其进展,以及对抗肿瘤免疫反应的影响。

事实上,尽管肥胖和代谢综合征是大多数癌症类型的风险因素,但令人惊讶的是,人们发现肥胖的病人可能更容易对免疫疗法产生反应。此外,由于肥胖推动了瘦素、脂肪素和胃泌素等激素水平的变化,而这些激素都具有免疫调节功能,因此确定这些代谢、激素和免疫功能如何相互作用也是至关重要的,首先从经适当设计的小鼠模型开始,然后扩展到病人群体。

第三,一些关键的代谢物不是来自病人自己的细胞,而是来自病人的微生物群,因此每个人拥有不同的微生物群,它们可能都会生成独特的代谢物。微生物的代谢产物对免疫系统的免疫调节作用才刚刚开始得到重视:例如,短链脂肪酸,如丁酸,可以调节Treg细胞的功能。然而,多样化的微生物群体如何最终塑造病人的免疫反应仍不清楚。由于肥胖和饮食也被发现会影响微生物群,而且饮食的改变可以在短短5天内就迅速改变微生物群及其短链脂肪酸的产生,因此饮食或微生物群的改变可能有利于联合治疗。

最后,随着更多不同类型的免疫疗法开始进入临床,继续评估它们的机制基础以确定它们是如何调节免疫代谢的,这一点也至关重要。检查点分子LAG3、TIM3和TIGIT以及腺苷代表了新一波的免疫调节靶标,而靶向这些分子的免疫代谢效应才刚开始显现出来。更全面地了解这些疗法对免疫代谢的影响,可以使医生在了解病人自身的TME后,设计出组合策略,使免疫疗法的代谢障碍得以克服。

本站作者:JLX,发表于解螺旋

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