前言
癌症免疫疗法彻底改变了癌症的治疗方式，为一部分患者开启了通往持久无病状态的大门。伴随着这一重大进展，人们对免疫系统与癌症的相互作用以及阻碍成功抗肿瘤免疫的主要障碍有了更深入的了解。其中一个障碍是肿瘤微环境（TME）严酷的代谢环境。
众所周知，肿瘤细胞代谢紊乱导致缺氧、酸性、葡萄糖和氨基酸缺乏的环境。许多肿瘤都会经历“Warburg代谢”或有氧糖酵解。此外，快速增殖和异常细胞信号导致脉管系统不充分，从而导致TME氧合不良。这些过程产生的代谢物在形成免疫细胞功能和对免疫治疗的反应中非常重要。
因此，我们不能再依赖简单的肿瘤饥饿免疫细胞模型，也必须考虑在形成免疫细胞功能时产生的“有毒”分解代谢产物的影响。乳酸、犬尿氨酸、腺苷和活性氧（ROS）等分解代谢产物经常出现在各种组织和免疫环境中，正是这些非肿瘤环境在进化上塑造了免疫细胞。因此，重要的是将TME视为免疫细胞的众多代谢环境之一，并从非肿瘤环境中寻求关于肿瘤浸润淋巴细胞的代谢见解。这一观点对于实施代谢策略以改善免疫治疗至关重要，因为它将阐明这些治疗可能如何影响免疫系统。
乳酸
在TME中，乳酸是由高度糖酵解的肿瘤细胞发酵葡萄糖生成丙酮酸，然后通过乳酸脱氢酶（LDH）生成乳酸。在正常血清中，乳酸浓度范围为1.5至3mM，而肿瘤浓度范围为10至30mM，在坏死肿瘤核心内达到极高水平（50mM）。
事实上，乳酸水平升高表明几种癌症类型的预后不良。因此，毫不奇怪，乳酸对浸润性免疫细胞有着深远的影响。一般来说，乳酸作为一种免疫抑制代谢物，事实上，在肿瘤等效浓度的乳酸中体外激活CD8+和CD4+T细胞会降低它们的增殖和产生细胞因子的能力。乳酸通过NAD（H）氧化还原状态限制T细胞增殖，在富含乳酸的条件下将NAD+还原为NADH，从而改变NAD+依赖的酶反应，从而减少增殖所需的糖酵解中间产物。
并非所有免疫细胞都对肿瘤源性乳酸产生负面反应。TME积极招募并促进Tregs的分化， Treg是免疫系统的有效抑制剂，其任务是维持免疫稳态和预防自身免疫。与效应细胞不同，Treg不依赖糖酵解来满足代谢需求，而是更严重地依赖氧化代谢，包括脂质合成和信号传导。这使得Treg在葡萄糖耗尽的TME中茁壮成长并发挥其免疫抑制功能。与效应T细胞相比，乳酸对肿瘤浸润性Treg增殖和功能至关重要。
乳酸也会影响固有免疫细胞。发现乳酸使巨噬细胞极化为M2型TAM状态，包括精氨酸酶1（Arg1）表达增加。乳酸影响巨噬细胞和Treg功能的一个潜在机制可能是通过其对组蛋白乳酰化的贡献，从而改变表观遗传学。研究发现组蛋白可以通过乳酰化进行修饰，这是一种组蛋白标记，与乙酰化相比具有明显的动力学特征。
犬尿氨酸
另一种在多种肿瘤类型中持续上调的代谢产物是犬尿氨酸。与乳酸一样，犬尿氨酸是一种免疫抑制副产物，来源于关键代谢物（色氨酸）的消耗。色氨酸的消耗和犬尿氨酸的产生由三种限速酶驱动，即吲哚胺2,3-双加氧酶1（IDO1）、IDO2和色氨酸2,3-双加氧酶（TDO）。IDO1由多种细胞类型表达，包括免疫细胞、上皮细胞、癌细胞和成纤维细胞。组织炎症期间产生的IFN-γ极大地增强了IDO1的表达，并作为负反馈回路抑制过度炎症。
与葡萄糖和乳酸一样，色氨酸耗竭和犬尿氨酸的产生具有独立的免疫抑制作用。犬尿氨酸可通过多种机制进行抑制，包括（a）促进耐受性抗原呈递细胞分化；（b）通过芳香烃受体（AhR）促进Treg分化；以及（c）抑制IL-2信号传导。
已经证实，许多肿瘤类型表达IDO1，高表达与预后不良和肿瘤浸润性Treg增加有关。犬尿氨酸也可以直接影响效应T细胞，因为T细胞受体（TCR）刺激可以通过Slc7a5/Slc7a8增加犬尿氨酸的摄取，导致AhR诱导的PD-1表达增加。
总之，色氨酸耗竭和犬尿氨酸的产生被用来创造一种免疫抑制环境，这种环境在稳定状态下维持免疫耐受，但在肿瘤中被用来逃避免疫破坏。
活性氧
许多肿瘤都会经历一定程度的缺氧。当肿瘤的低血管化和高代谢需求超过可用的氧气供应时，就会出现氧气消耗。与葡萄糖和色氨酸的消耗一样，氧的消耗伴随着有毒副产物的产生，如活性氧和腺苷，这一直是癌症研究的重点。
ROS作为氧化代谢的正常部分产生，对正常细胞存活、信号传导和内环境稳定非常重要。然而，癌症利用活性氧，利用它们的过量生产，驱动有丝分裂信号通路、转移和存活。除活性氧外，肿瘤缺氧还促使细胞外ATP的积累，ATP被分解为免疫抑制代谢物腺苷。ATP释放和腺苷生成作用于嘌呤能受体，损害免疫细胞浸润和激活，从而降低抗肿瘤免疫。
与乳酸和犬尿氨酸一样，活性氧在非肿瘤环境中对形成免疫细胞功能起着重要作用。活性氧还可以在趋化性中发挥作用，向中性粒细胞和其他免疫细胞发送信号，使其到达损伤或感染部位，甚至激活树突状细胞。
然而高水平的ROS会损害TME内的效应T细胞。氧化程度更高的TME与CD8+T细胞耗竭增加和抗PD-1免疫治疗反应降低有关。最近的机制研究表明，持续的TCR刺激和缺氧促使CD8+T细胞产生更多的线粒体ROS，这足以诱导耗竭样表型。除了损害效应细胞外，高水平的ROS还可以支持调节群体，如TAM和MDSCs。
总之，活性氧在低水平下对正常免疫功能至关重要，但在TME的高水平下，活性氧会促进效应细胞的功能障碍和调节群体的存在。
腺苷
腺苷是一种有效的免疫抑制代谢物，既损害效应细胞，又支持调节细胞。在TME内，腺苷通过肿瘤细胞和浸润性免疫细胞表达的细胞表面外核苷酸酶CD39和CD73产生。低氧驱动HIF1A活性，进而上调CD39、CD73和腺苷受体A2BR。细胞外ATP通过CD39转化为ADP和/或AMP，而AMP通过CD73转化为腺苷。腺苷随后与四种受体之一A1R、A2AR、A2BR或A3R结合，以发挥其调节功能。通过A2AR和A2BR发出信号可以减少IFN-γ和IL-2的产生，增加效应细胞中的抑制分子PD-1，并激活Foxp3、CTLA4和Lag-3，促进Treg的发育。
针对有毒代谢物的靶向治疗
人们认识肿瘤中乳酸、犬尿氨酸、活性氧和腺苷的产生和免疫调节作用，因此开发了针对其的治疗方法，以期改进癌症免疫疗法。
改变肿瘤的代谢
存在许多改变肿瘤代谢状况的策略。例如，乳酸的产生可以通过抑制乳酸脱氢酶来实现。一项药物研究表明，使用抑制剂GSK2837808A抑制患者源性和B16黑色素瘤LDHA可增强体外和体内T细胞杀伤，并增强过继细胞治疗。虽然特定的LDH和糖酵解抑制剂尚未完全进入临床，但我们有可能重新利用具有糖酵解抑制作用的旧药物。例如，双氯芬酸，一种常见的非甾体抗炎药，已被证明能独立于COX抑制调节糖酵解，并可用于改善抗PD-1免疫疗法。
乳酸也可以通过针对其出口来减少TME内的乳酸。乳酸通过MCT运输，虽然许多MCT1和MCT4的小分子抑制剂已被开发用于临床前用途，但目前只有阿斯利康的AZD3965正在进行人体试验（NCT01791595）。临床前研究表明，AZD3965可以降低进入TME的乳酸分泌，并增加肿瘤免疫细胞浸润。
针对犬尿氨酸的大部分研究都是通过抑制IDO1进行的。目前，有几种IDO抑制剂正在进行临床试验（NCT04049669、NCT03432676、NCT02471846）。不幸的是，在中期分析显示IDO1抑制没有额外益处（NCT03432676）后，Incyte的epacadostat联合pembrolizumab的试验停止了。这无疑抑制了针对IDO1的热情，但它突显了针对IDO途径的复杂性，可能是需要一定程度的色氨酸分解代谢才能产生最佳调节的抗肿瘤免疫反应。
由于活性氧产生机制的多样性，活性氧的产生可以通过多种方式进行靶向。一种有希望的方法是通过减少肿瘤缺氧。在临床前模型中，二甲双胍可作为弱线粒体复合物I抑制剂，与抗PD-1联合使用时，可减少肿瘤缺氧并促进B16肿瘤清除。肿瘤缺氧也可以通过抑制VEGF来靶向，临床上，抗血管生成和免疫治疗组合对肾细胞癌（RCC）和肝细胞癌（HCC）的疗效最佳，atezolizumab和贝伐单抗的联合治疗可改善无进展生存率和总生存率。
另一种靶向肿瘤源性活性氧的方法是使用清除剂。例如使用药物RTA-408，其被证明可诱导Nrf2，这是一种参与氧化应激保护的主要蛋白质，并导致在肿瘤异种移植模型中抑制ROS。2019年，在黑色素瘤患者中完成了联合抗CTLA-4和抗PD-1与RTA-408的Ib/II期临床试验，但结果尚未正式公布（NCT02259231）。
除了上述减少缺氧的方法外，还可以直接针对腺苷的产生。这些药物以小分子抑制剂或阻断抗体的形式出现，主要针对CD73、CD39和A2AR。虽然这些药物在减少腺苷生成，甚至预防可溶性CD73的外核苷酸酶方面显示出临床前疗效，但大多数药物仍在等待I/II期临床试验的结果。
改变浸润性免疫细胞的代谢
CAR-T等过继性T细胞疗法提供了一种代谢支持T细胞在严酷的TME中发挥功能的方法。增强CAR-T细胞的一种方法是过表达或删除调节新陈代谢的基因。例如，在过继细胞治疗模型中，PGC1α（线粒体生物发生的转录辅激活因子）的过表达可防止线粒体功能的丧失，并提高抗肿瘤疗效。相反地，Regnase-1基因的缺失提高了过继性细胞转移的效率。Regnase-1基因被认为对CD8+T细胞中的转录因子BATF和线粒体代谢具有负调节作用。
过继性T细胞疗法也可以通过其扩张介质进行代谢支持。与血清相比，RPMI、DMEM和AIM V等常用培养基含有大量葡萄糖，代谢产物水平降低，对肿瘤的严酷代谢环境准备不足。由于T细胞对其代谢环境高度敏感，在含有或缺乏某些代谢物的培养基中扩增T细胞可能会提高其在体内的持久性和效力。与此一致，通过营养饥饿或代谢抑制剂在体外限制谷氨酰胺，可增强小鼠过继转移T细胞的功效。限制代谢产物或向扩张培养基中添加代谢抑制剂是改善过继细胞疗法的一种非常有吸引力的方法。
小结
肿瘤不仅消耗必需的代谢物，而且同时产生有毒的副产物，这些副产物持续存在于TME中。代谢产物（如葡萄糖、氨基酸和氧气）的消耗以及乳酸、犬尿氨酸、活性氧和腺苷的产生都会对效应免疫细胞产生负面调节，并支持调节性免疫群体。
随着我们进一步研究TME中的免疫代谢，明白代谢产物的消耗和产生对免疫细胞功能都有独立的影响，这一点至关重要。正如IDO1抑制剂试验失败一样，在必需代谢物的消耗和有毒代谢物的产生之间可能存在着比我们想象的更微妙的平衡。最终，了解必需代谢物及其有毒副产物之间的生理平衡，以及对免疫细胞的后续影响，将是开发癌症治疗方法的关键。
参考文献：
1.Fighting in a wasteland: deleteriousmetabolites and antitumor immunity. J Clin Invest. 2022 Jan 18; 132(2):e148549.
原文标题 : 肿瘤免疫中的TME有害代谢产物
