腫瘤微環(huán)境中腫瘤相關巨噬細胞的代謝表型
日期：2020-12-25 15:09:00
就細胞群體而言，腫瘤微環(huán)境（TME）具備異質性。除癌細胞外，內皮細胞、成纖維細胞外、免疫炎癥細胞在TME形成中起重要作用。炎癥和免疫逃逸是腫瘤的兩個標志性特征。腫瘤細胞可以通過分泌的細胞因子來馴化TME中的免疫細胞，使其獲得腫瘤應援表型。腫瘤微環(huán)境中，比如腫瘤相關巨噬細胞（TAMs）、腫瘤相關中性粒細胞（TANs）、骨髓來源的抑制性細胞（MDSCs），是眾多腫瘤中的主要免疫細胞組成。其中，TAMs所占的數(shù)量最多。有研究表明，巨噬細胞由休眠狀態(tài)切換成高活性狀態(tài)需要通過改變其代謝來賦能。那么，TME中TAMs代謝表型的改變是如何幫助TAMs完成功能切換的？這個問題引起了研究者的極大興趣。讀完這篇文章，相信你會有所了解。
1、什么是腫瘤微環(huán)境？
腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment）簡稱TME，主要由免疫細胞構成，如巨噬細胞、T淋巴細胞、自然殺傷細胞(NK細胞)、樹突狀細胞、嗜中性粒細胞等 （圖1）。TME中細胞之間相互作用且彼此影響，各種細胞的代謝產物不僅是TME能量供應的來源，同時也介導了TME中不同細胞之間的信息傳遞 [1]。
圖1. 腫瘤微環(huán)境
*圖片來源于Mediators of inflammation 出版物[1]。
2、什么是腫瘤相關巨噬細胞？
腫瘤相關巨噬細胞（tumor-associated macrophages，TAMs）是TME中一種可塑性異質細胞群體，占某些實體腫瘤的50%，TAMs通過合成和分泌多種細胞因子，對TME產生廣泛的影響 [2]。在微環(huán)境中，TAMs極化成M1/M2型TAMs，表達相應的特異性基因，行使不同的功能。M1型TAMs具有高水平的有氧糖酵解活性，可以產生活性氧（ROS）以殺死病原體介導抗腫瘤過程。相反，M2型TAMs則依賴于高水平的氧化磷酸化，可以產生IL-10和VEGF促進惡性腫瘤細胞的生長[3]。因此，TAMs的代謝情況具有動態(tài)性，對TAMs生存有很大影響。如圖2，巨噬細胞轉變?yōu)門AMs是一個復雜的過程，TME中的TAMs細胞代謝表型發(fā)生變化，并且與腫瘤細胞相互作用，共同影響腫瘤的代謝表型 [4]。因此，研究TME中TAMs的代謝變化對腫瘤進展和治療抵抗有著重要的意義，將有助于開發(fā)新型抗腫瘤藥物的潛在靶點。
圖2. 腫瘤細胞與TAMs間的免疫代謝聯(lián)系
*圖片來源于Cell metabolism 出版物[4]。
3、腫瘤相關巨噬細胞的代謝表型
3.1 TAMs中的糖代謝
腫瘤細胞和正常細胞之間的糖代謝存在本質上的差異。我們知道在常氧條件下，正常細胞通過氧化磷酸化產生ATP，而腫瘤細胞高度依賴糖酵解。無論是否有氧氣存在，糖酵解始終是腫瘤生長代謝的中心，這種現(xiàn)象被稱為Warburg效應[5]。在TME中，TAMs與腫瘤細胞競爭營養(yǎng)物質，特別是葡萄糖。TAMs的葡萄糖代謝過程發(fā)生了與腫瘤細胞類似變化。TAMs同樣具有高度活性的糖酵解。
TAMs可通過提供營養(yǎng)支持來促進腫瘤進展，其主要是通過分泌VEGFA，ADM，CXC趨化因子配體8（CXCL8）和CXCL12招募并激活血管上皮細胞，為其生長提供營養(yǎng)物質，從而促進腫瘤異常血管新生，然而由此產生的新生血管網絡的結構和功能異常，使TME呈現(xiàn)不同程度的缺氧 [6,7]。研究表明，在低氧條件下TAMs上調REDD1（regulated in development and in DNA damage response 1），抑制mTOR。這將抑制TAMs對葡萄糖的攝入，同時抑制TAMs糖酵解 [8]。與此同時，導致TME中葡萄糖的含量增加，糖酵解增強，增加腫瘤細胞對葡萄糖的利用率，促進腫瘤異常血管的生成。另一方面，REDD1缺陷型TAMs能夠通過激活mTOR、增加糖酵解而與鄰近的內皮細胞競爭葡萄糖，從而促進血管結構的正常化，抑制腫瘤的轉移 （圖3）[8]。
圖3. REDD1缺陷型TAMs激活mTOR增加糖酵解
*圖片來源于Cell metabolism 出版物[8]。
因而，抑制或增加TAMs糖酵解，可為腫瘤治療提供新思路。有研究發(fā)現(xiàn)，人胰腺癌（PDCA）誘導的巨噬細胞具有較高的糖酵解活性，使用HK2競爭性抑制劑2-脫氧葡萄糖（2DG）抑制糖酵解可消除細胞的功能表型 [9]。在一些體外和體內研究中，2DG與靶向治療聯(lián)合，可有效的抑制癌細胞的活力、增殖和轉移 [10]。除了HK2，作為糖酵解途徑中的關鍵酶，磷酸果糖激酶 2（PFK2）、磷酸甘油激酶 1（PGK1）、乳酸脫氫酶 A（LDHA）、丙酮酸激酶 2（PKM2）、烯醇化酶（ENO1）、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD），是否可以通過靶向以上關鍵酶影響TAMs糖酵解產生抗腫瘤作用，將對腫瘤治療有重大意義。所以，進一步的了解TAMs糖酵解相關機制，尋找TAMs糖酵解途徑中的靶點是十分必要的。
3.2 TAMs中的脂質代謝
除了葡萄糖代謝外，TAMs的脂質代謝也發(fā)生改變。有研究發(fā)現(xiàn)在小鼠肺癌模型中，IL-1β誘導的表達環(huán)氧合酶2（COX2）的巨噬細胞可促進腫瘤生長和血管生成 [11]。此外，TAMs具有較高的長鏈脂肪醇氧化酶（FAO）水平，體內實驗表明抑制長鏈脂肪醇氧化酶（FAO）可使小鼠肺癌和結腸癌模型中的TAMs由M2型向M1型極化 [12, 13]。與此相反，腫瘤細胞釋放的巨噬細胞集落刺激因子1（CSF1）可誘導TAMs高表達脂肪酸合酶（FASN），由此生成的脂肪酸可激活過氧化物酶體增殖物激活受體δ（PPARD），其下游釋放免疫抑制性細胞因子IL-10，從而誘導TAMs極化為M2型 [14-16]。
盡管TAMs呈現(xiàn)較高的FAO水平，但是某些TME中的TAMs仍會積聚細胞內脂質以維系自身代謝并發(fā)揮免疫調節(jié)作用。在這種情況下，這些TAMs中參與細胞內脂質代謝的多種蛋白表達均受到異常調控，如自水解酶結構域5蛋白（ABHD5），單甘油酯脂肪酶（MGLP），脂肪酸結合蛋白（FABP）以及中鏈酰基輔酶A脫氫酶（ACADM）[17, 18]。在腫瘤發(fā)展的早期階段，TAMs高表達FABP5，導致TAMs分泌更多的Ⅰ型干擾素（IFN-1）以促進抗腫瘤免疫反應。而當腫瘤發(fā)展到晚期，TAMs高表達FABP4，F(xiàn)ABP4可促進IL-6/STAT3的信號通路傳導，從而促進腫瘤的發(fā)展 [17, 18]。
關于TAMs的脂質代謝機制，目前仍需要進一步的研究來揭示其相關的功能與腫瘤的關聯(lián)，而文中提到的TAMs脂質代謝中的一些關鍵酶和極化機制，有望為腫瘤診斷及治療的新方法。
3.3 TAMs中的氨基酸代謝
目前有少數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)氨基酸代謝對TAMs功能重組可能有影響，然而這些研究大部分是觀察性的，很少涉及機制的研究。有研究報道，在多種小鼠腫瘤模型中發(fā)現(xiàn)TAMs的精氨酸酶1（Arginase-1，ARG1）表達升高。ARG1一直被認為是M2型巨噬細胞的標志物。但是TAMs高表達的ARG1對惡性腫瘤的作用仍不清楚。缺氧和乳酸增高都能促進ARG1的表達，在小鼠肺癌模型中，敲除ARG1后，小鼠的腫瘤明顯變小 [15]。
研究還發(fā)現(xiàn)，ARG2和催化色氨酸代謝分解的限速酶吲哚胺-2，3-雙加氧酶1（IDO1），能大量消耗TME中對于免疫效應細胞營養(yǎng)代謝至關重要的氨基酸，如精氨酸和色氨酸，從而導致T細胞和NK細胞的功能失調 [19]。這也就意味著TAMs可誘導免疫抑制作用，引發(fā)TME中這些氨酸的消耗，進而破壞免疫監(jiān)視作用。由此可見，TAMs氨基酸代謝中的相關酶在TAMs代謝機制中有重要的作用。
圖4. 谷氨酰胺連接酶促進TAMs向M2型極化
*圖片來源于Cell report 出版物[20]。
如前所述，巨噬細胞具有極強的可塑性。體外實驗證明，谷氨酰胺連接酶（GLUL）可通過催化谷氨酸轉化為谷氨酰胺（glutamine，Gln）來促進TAMs向M2型極化。抑制谷氨酰胺攝取則可促使小鼠腫瘤模型中的TAMs向M1型極化 [20] （圖4）。通過將M2型TAMs極化為M1型TAMs來提高TAMs的吞噬能力抵抗腫瘤，也是目前研究的熱點。
3.4 TAMs中的鐵離子平衡
在尋找癌癥的替代療法當中，細胞新陳代謝過程中涉及的營養(yǎng)元素被認為是潛在的癌癥治療的靶標。隨著對生物化學反應及代謝領域的認識不斷提升，發(fā)現(xiàn)金屬元素（如鐵、銅和鋅）參與了生物細胞生長發(fā)育各關鍵過程（其中也包括癌變過程）。在眾多金屬元素之中，鐵元素（Fe）是生命體重要的必須微量元素，在細胞代謝和調控過程中有重要作用。
目前只有少量研究顯示TAMs內鐵代謝失調導致的鐵離子濃度異常與腫瘤的發(fā)生、增殖與轉移有關。前文提到，TAMs為腫瘤異常血管提供營養(yǎng)物質，但通常TME會呈現(xiàn)不同程度的缺氧 [6, 7]。TME的缺氧狀態(tài)導致TAMs溶質載體家族40成員1（SLC40A1）和脂質運載蛋白2（LCN2）表達上調，這將抑制TAMs對鐵離子的攝取，導致TME中鐵離子蓄積，增強惡性腫瘤細胞對鐵離子的攝取，進一步增強氧化應激，激活信號傳導與活化轉錄因子3（STAT3）以及核轉錄因子-κB（NF-κB）等信號通路，最終促進腫瘤發(fā)展 [21, 22]。
我們知道腫瘤細胞對鐵表現(xiàn)出更強的依賴性，同時更容易消耗鐵。盡管有大量的研究，但鐵和癌癥之間的具體聯(lián)系仍然沒有完全解釋清楚。研究TAMs中的鐵離子平衡機制，這可能為預測癌癥預后和治療提供新方法。
近些年來，針對TAMs的抗腫瘤免疫療法的研究取得顯著進展。一方面，造成腫瘤細胞糖酵解增強的主要原因與糖酵解酶的表達、活性增強有關。研究發(fā)現(xiàn)，抑制或促進TAMs糖酵解過程將影響TEM腫瘤細胞進展。一些關鍵酶，作為一種新的高敏感性腫瘤標志物，在惡性腫瘤的診斷、預后等方面顯示出了很好的前景。另一方面，TAMs包含兩種可以相互極化的亞型：M1型TAMs發(fā)揮著抑制腫瘤生長的作用，而M2型TAMs對腫瘤的發(fā)生發(fā)展起促進支持作用。在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中，TAMs更傾向于極化成M2型。基于腫瘤相關巨噬細胞兩種亞型的功能特點，我們有望通過TAMs代謝重編程來改變TAMs極化，使其發(fā)揮抗腫瘤效應。然而更為全面的了解和清楚揭示TAMs代謝機制對腫瘤起源、TAMs極化以及功能方面的影響，將是抗腫瘤免疫療法新的挑戰(zhàn)與機遇。
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