腫瘤微環(huán)境中腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞的代謝表型
日期：2020-12-25 15:09:00
就細(xì)胞群體而言，腫瘤微環(huán)境（TME）具備異質(zhì)性。除癌細(xì)胞外，內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞外、免疫炎癥細(xì)胞在TME形成中起重要作用。炎癥和免疫逃逸是腫瘤的兩個(gè)標(biāo)志性特征。腫瘤細(xì)胞可以通過(guò)分泌的細(xì)胞因子來(lái)馴化TME中的免疫細(xì)胞，使其獲得腫瘤應(yīng)援表型。腫瘤微環(huán)境中，比如腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（TAMs）、腫瘤相關(guān)中性粒細(xì)胞（TANs）、骨髓來(lái)源的抑制性細(xì)胞（MDSCs），是眾多腫瘤中的主要免疫細(xì)胞組成。其中，TAMs所占的數(shù)量最多。有研究表明，巨噬細(xì)胞由休眠狀態(tài)切換成高活性狀態(tài)需要通過(guò)改變其代謝來(lái)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(gè)問(wèn)題引起了研究者的極大興趣。讀完這篇文章，相信你會(huì)有所了解。
1、什么是腫瘤微環(huán)境？
腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment）簡(jiǎn)稱(chēng)TME，主要由免疫細(xì)胞構(gòu)成，如巨噬細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞(NK細(xì)胞)、樹(shù)突狀細(xì)胞、嗜中性粒細(xì)胞等 （圖1）。TME中細(xì)胞之間相互作用且彼此影響，各種細(xì)胞的代謝產(chǎn)物不僅是TME能量供應(yīng)的來(lái)源，同時(shí)也介導(dǎo)了TME中不同細(xì)胞之間的信息傳遞 [1]。
圖1. 腫瘤微環(huán)境
*圖片來(lái)源于Mediators of inflammation 出版物[1]。
2、什么是腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞？
腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（tumor-associated macrophages，TAMs）是TME中一種可塑性異質(zhì)細(xì)胞群體，占某些實(shí)體腫瘤的50%，TAMs通過(guò)合成和分泌多種細(xì)胞因子，對(duì)TME產(chǎn)生廣泛的影響 [2]。在微環(huán)境中，TAMs極化成M1/M2型TAMs，表達(dá)相應(yīng)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(chǎn)生活性氧（ROS）以殺死病原體介導(dǎo)抗腫瘤過(guò)程。相反，M2型TAMs則依賴(lài)于高水平的氧化磷酸化，可以產(chǎn)生IL-10和VEGF促進(jìn)惡性腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)[3]。因此，TAMs的代謝情況具有動(dòng)態(tài)性，對(duì)TAMs生存有很大影響。如圖2，巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)AMs是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，TME中的TAMs細(xì)胞代謝表型發(fā)生變化，并且與腫瘤細(xì)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(duì)腫瘤進(jìn)展和治療抵抗有著重要的意義，將有助于開(kāi)發(fā)新型抗腫瘤藥物的潛在靶點(diǎn)。
圖2. 腫瘤細(xì)胞與TAMs間的免疫代謝聯(lián)系
*圖片來(lái)源于Cell metabolism 出版物[4]。
3、腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞的代謝表型
3.1 TAMs中的糖代謝
腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞之間的糖代謝存在本質(zhì)上的差異。我們知道在常氧條件下，正常細(xì)胞通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，而腫瘤細(xì)胞高度依賴(lài)糖酵解。無(wú)論是否有氧氣存在，糖酵解始終是腫瘤生長(zhǎng)代謝的中心，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為Warburg效應(yīng)[5]。在TME中，TAMs與腫瘤細(xì)胞競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，特別是葡萄糖。TAMs的葡萄糖代謝過(guò)程發(fā)生了與腫瘤細(xì)胞類(lèi)似變化。TAMs同樣具有高度活性的糖酵解。
TAMs可通過(guò)提供營(yíng)養(yǎng)支持來(lái)促進(jìn)腫瘤進(jìn)展，其主要是通過(guò)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(xì)胞，為其生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而促進(jìn)腫瘤異常血管新生，然而由此產(chǎn)生的新生血管網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)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(diào)REDD1（regulated in development and in DNA damage response 1），抑制mTOR。這將抑制TAMs對(duì)葡萄糖的攝入，同時(shí)抑制TAMs糖酵解 [8]。與此同時(shí)，導(dǎo)致TME中葡萄糖的含量增加，糖酵解增強(qiáng)，增加腫瘤細(xì)胞對(duì)葡萄糖的利用率，促進(jìn)腫瘤異常血管的生成。另一方面，REDD1缺陷型TAMs能夠通過(guò)激活mTOR、增加糖酵解而與鄰近的內(nèi)皮細(xì)胞競(jìng)爭(zhēng)葡萄糖，從而促進(jìn)血管結(jié)構(gòu)的正常化，抑制腫瘤的轉(zhuǎn)移 （圖3）[8]。
圖3. REDD1缺陷型TAMs激活mTOR增加糖酵解
*圖片來(lái)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(dǎo)的巨噬細(xì)胞具有較高的糖酵解活性，使用HK2競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑2-脫氧葡萄糖（2DG）抑制糖酵解可消除細(xì)胞的功能表型 [9]。在一些體外和體內(nèi)研究中，2DG與靶向治療聯(lián)合，可有效的抑制癌細(xì)胞的活力、增殖和轉(zhuǎn)移 [10]。除了HK2，作為糖酵解途徑中的關(guān)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(guò)靶向以上關(guān)鍵酶影響TAMs糖酵解產(chǎn)生抗腫瘤作用，將對(duì)腫瘤治療有重大意義。所以，進(jìn)一步的了解TAMs糖酵解相關(guān)機(jī)制，尋找TAMs糖酵解途徑中的靶點(diǎn)是十分必要的。
3.2 TAMs中的脂質(zhì)代謝
除了葡萄糖代謝外，TAMs的脂質(zhì)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(dǎo)的表達(dá)環(huán)氧合酶2（COX2）的巨噬細(xì)胞可促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)和血管生成 [11]。此外，TAMs具有較高的長(zhǎng)鏈脂肪醇氧化酶（FAO）水平，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明抑制長(zhǎng)鏈脂肪醇氧化酶（FAO）可使小鼠肺癌和結(jié)腸癌模型中的TAMs由M2型向M1型極化 [12, 13]。與此相反，腫瘤細(xì)胞釋放的巨噬細(xì)胞集落刺激因子1（CSF1）可誘導(dǎo)TAMs高表達(dá)脂肪酸合酶（FASN），由此生成的脂肪酸可激活過(guò)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(xì)胞因子IL-10，從而誘導(dǎo)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(huì)積聚細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)以維系自身代謝并發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用。在這種情況下，這些TAMs中參與細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)代謝的多種蛋白表達(dá)均受到異常調(diào)控，如自水解酶結(jié)構(gòu)域5蛋白（ABHD5），單甘油酯脂肪酶（MGLP），脂肪酸結(jié)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(dá)FABP5，導(dǎo)致TAMs分泌更多的Ⅰ型干擾素（IFN-1）以促進(jìn)抗腫瘤免疫反應(yīng)。而當(dāng)腫瘤發(fā)展到晚期，TAMs高表達(dá)FABP4，F(xiàn)ABP4可促進(jìn)IL-6/STAT3的信號(hào)通路傳導(dǎo)，從而促進(jìn)腫瘤的發(fā)展 [17, 18]。
關(guān)于TAMs的脂質(zhì)代謝機(jī)制，目前仍需要進(jìn)一步的研究來(lái)揭示其相關(guān)的功能與腫瘤的關(guān)聯(lián)，而文中提到的TAMs脂質(zhì)代謝中的一些關(guān)鍵酶和極化機(jī)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(duì)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(jī)制的研究。有研究報(bào)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(dá)升高。ARG1一直被認(rèn)為是M2型巨噬細(xì)胞的標(biāo)志物。但是TAMs高表達(dá)的ARG1對(duì)惡性腫瘤的作用仍不清楚。缺氧和乳酸增高都能促進(jìn)ARG1的表達(dá)，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(duì)于免疫效應(yīng)細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)代謝至關(guān)重要的氨基酸，如精氨酸和色氨酸，從而導(dǎo)致T細(xì)胞和NK細(xì)胞的功能失調(diào) [19]。這也就意味著TAMs可誘導(dǎo)免疫抑制作用，引發(fā)TME中這些氨酸的消耗，進(jìn)而破壞免疫監(jiān)視作用。由此可見(jiàn)，TAMs氨基酸代謝中的相關(guān)酶在TAMs代謝機(jī)制中有重要的作用。
圖4. 谷氨酰胺連接酶促進(jìn)TAMs向M2型極化
*圖片來(lái)源于Cell report 出版物[20]。
如前所述，巨噬細(xì)胞具有極強(qiáng)的可塑性。體外實(shí)驗(yàn)證明，谷氨酰胺連接酶（GLUL）可通過(guò)催化谷氨酸轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺（glutamine，Gln）來(lái)促進(jìn)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(guò)將M2型TAMs極化為M1型TAMs來(lái)提高TAMs的吞噬能力抵抗腫瘤，也是目前研究的熱點(diǎn)。
3.4 TAMs中的鐵離子平衡
在尋找癌癥的替代療法當(dāng)中，細(xì)胞新陳代謝過(guò)程中涉及的營(yíng)養(yǎng)元素被認(rèn)為是潛在的癌癥治療的靶標(biāo)。隨著對(duì)生物化學(xué)反應(yīng)及代謝領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)不斷提升，發(fā)現(xiàn)金屬元素（如鐵、銅和鋅）參與了生物細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育各關(guān)鍵過(guò)程（其中也包括癌變過(guò)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(xì)胞代謝和調(diào)控過(guò)程中有重要作用。
目前只有少量研究顯示TAMs內(nèi)鐵代謝失調(diào)導(dǎo)致的鐵離子濃度異常與腫瘤的發(fā)生、增殖與轉(zhuǎn)移有關(guān)。前文提到，TAMs為腫瘤異常血管提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但通常TME會(huì)呈現(xiàn)不同程度的缺氧 [6, 7]。TME的缺氧狀態(tài)導(dǎo)致TAMs溶質(zhì)載體家族40成員1（SLC40A1）和脂質(zhì)運(yùn)載蛋白2（LCN2）表達(dá)上調(diào)，這將抑制TAMs對(duì)鐵離子的攝取，導(dǎo)致TME中鐵離子蓄積，增強(qiáng)惡性腫瘤細(xì)胞對(duì)鐵離子的攝取，進(jìn)一步增強(qiáng)氧化應(yīng)激，激活信號(hào)傳導(dǎo)與活化轉(zhuǎn)錄因子3（STAT3）以及核轉(zhuǎn)錄因子-κB（NF-κB）等信號(hào)通路，最終促進(jìn)腫瘤發(fā)展 [21, 22]。
我們知道腫瘤細(xì)胞對(duì)鐵表現(xiàn)出更強(qiáng)的依賴(lài)性，同時(shí)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(méi)有完全解釋清楚。研究TAMs中的鐵離子平衡機(jī)制，這可能為預(yù)測(cè)癌癥預(yù)后和治療提供新方法。
近些年來(lái)，針對(duì)TAMs的抗腫瘤免疫療法的研究取得顯著進(jìn)展。一方面，造成腫瘤細(xì)胞糖酵解增強(qiáng)的主要原因與糖酵解酶的表達(dá)、活性增強(qiáng)有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，抑制或促進(jìn)TAMs糖酵解過(guò)程將影響TEM腫瘤細(xì)胞進(jìn)展。一些關(guān)鍵酶，作為一種新的高敏感性腫瘤標(biāo)志物，在惡性腫瘤的診斷、預(yù)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(zhǎng)的作用，而M2型TAMs對(duì)腫瘤的發(fā)生發(fā)展起促進(jìn)支持作用。在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，TAMs更傾向于極化成M2型。基于腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞兩種亞型的功能特點(diǎn)，我們有望通過(guò)TAMs代謝重編程來(lái)改變TAMs極化，使其發(fā)揮抗腫瘤效應(yīng)。然而更為全面的了解和清楚揭示TAMs代謝機(jī)制對(duì)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(jī)遇。
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