腫瘤代謝介導的免疫逃逸及血管生成研究進展

楊芙蓉，張雨婷，陳志鵬，李偉東，吳 麗

(1.南京中醫藥大學藥學院，2.江蘇省中藥藥效與安全性評價重點實驗室，3.江蘇省中藥炮制重點實驗室，江蘇 南京 210023)

腫瘤微環境(tumour microenvironment，TME)是一個由腫瘤細胞、基質細胞(成纖維細胞、免疫細胞、內皮細胞、間充質干細胞等)和非細胞成分(細胞外基質、基質金屬蛋白酶、細胞因子和趨化因子等)構成的復雜體系，它們通過不同機制相互影響，共同決定了腫瘤的發生、發展和轉歸。其中，免疫與血管異常是導致疾病惡性進展的兩大重要因素。一方面，腫瘤局部常處于以CD8+T細胞耗竭、調節性T細胞(regulatory T cells，Tregs)浸潤、自然殺傷細胞(natural killer cells，NK)抑制、M2型巨噬細胞分化等為特征的免疫抑制狀態，機體無法有效識別突變的腫瘤細胞，導致腫瘤細胞免疫逃逸；另一方面，病理性血管的生成，在為腫瘤細胞快速增殖提供補給的同時，也為腫瘤轉移提供了必要條件[1]。是什么因素導致上述TME向有利于疾病進一步惡化的方向發展？近年來，腫瘤細胞對免疫與血管的影響逐漸受到關注。其中，腫瘤代謝異常導致的TME變化已成為該領域的研究熱點。

以有氧糖酵解(Warburg effect)為代表的異常代謝是腫瘤細胞的重要特征，這種代謝方式可以快速為腫瘤細胞各項生命活動提供腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine-triphosphate，ATP)，伴隨的中間代謝產物用于合成蛋白質、脂類等大分子物質，以滿足其快速增殖的需要。同時，分泌到細胞外的代謝物直接導致了低氧、酸性、營養負荷不足，代謝副產物、抗炎性細胞因子及趨化因子高度聚集的腫瘤微環境[2]，為腫瘤免疫逃逸、病理性血管生成及腫瘤浸潤轉移等生物學行為提供便利條件。近年來發現，腫瘤組織中葡萄糖、乳酸、脂肪酸、谷氨酰胺(glutamine，Gln)、色氨酸(tryptophan，Trp)、精氨酸(arginine，Arg)、腺苷等小分子物質的變化能通過多種途徑影響腫瘤的發展[3]。本文系統綜述了上述分子影響腫瘤免疫、血管生成的研究進展。

1 對腫瘤免疫的影響

腫瘤組織中不同亞群的免疫細胞常表現出不同的代謝特征[4]。如同為CD4+T細胞，Th1、Th2、Th17等輔助性T細胞高表達葡萄糖轉運蛋白1(glucose transporter 1，GLUT1)，主要依賴糖酵解和谷氨酰胺分解產能來滿足其快速增殖的需求。而Tregs細胞表面的GLUT1表達則較少，葡萄糖攝取與糖酵解水平較低，以脂肪酸氧化和氧化磷酸化為主要方式供能[5]。此外，即使是同一種細胞在不同的功能或極化狀態下，也存在代謝表型的差異。如CD8+T細胞在靜息狀態下以氧化磷酸化為主要代謝表型，而激活為細胞毒性T淋巴細胞(cytotoxic T lymphocytes，CTLs)后，有氧糖酵解和線粒體代謝均顯著增強。腫瘤細胞的異常代謝如何通過細胞間通訊干預免疫細胞的代謝與功能？深入挖掘其分子機制，可為腫瘤的治療提供新的研究視角。

1.1 糖代謝產物對腫瘤免疫的影響腫瘤細胞生成的大量乳酸，借助單羧酸轉運蛋白1(monocarboxylate transporters 1，MCT1)輸出，分泌到細胞外基質，通過多種途徑影響免疫細胞分化、代謝和功能。

1.1.1對CD8+T細胞的影響 CD8+Teff細胞(如CTLs)需要煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)再生來維持甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，GAPDH)活性以支持糖酵解及抗腫瘤功能，但胞外高濃度乳酸常導致CTLs中乳酸的氧化反應被逆轉，造成細胞內乳酸堆積，進而抑制GAPDH活性及NAD+的再生能力，糖酵解代謝通路被顯著抑制。同時，乳酸干擾T細胞受體觸發的p38和JNK/c-Jun信號通路激活，導致干擾素- γ(interferon- γ，IFN- γ)生成受阻，CTLs效應器功能受損，喪失其殺傷腫瘤細胞的細胞毒效應。此外，在細胞外乳酸過多的條件下，CTLs的增殖被抑制，白細胞介素- 2(interleukin-2，IL- 2)、IFN- γ等細胞因子生成減少，抗腫瘤免疫調節作用受到抑制。細胞外酸中毒使CTLs內穿孔素和顆粒酶B的含量降低，CTLs的細胞毒活性受到抑制，無法有效殺傷腫瘤細胞，導致腫瘤產生免疫逃逸[6]。

1.1.2對Tregs細胞功能的影響 與CTLs不同，Tregs細胞發揮免疫抑制功能更依賴于脂肪酸代謝及氧化磷酸化水平。而富含乳酸的環境能夠增強Tregs細胞的活力及其在腫瘤部位的免疫抑制功能，這種適應性使其在低糖、高乳酸環境中具有選擇性代謝優勢。目前研究認為其原因主要為：Tregs細胞從腫瘤微環境中攝取的乳酸在促進NF-κB介導的轉錄因子Foxp3活化的同時，激活乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase，LDH)，有利于乳酸氧化為丙酮酸，增加NADH的產量及氧化磷酸化；此外，Tregs細胞中的乳酸與Myc在啟動子處結合，下調糖酵解的Myc靶基因，通過進一步抑制糖酵解代謝而減少NAD+的消耗[7]。

1.1.3對Th1/Th2 細胞平衡的影響 GATA結合蛋白3(GATA-3)是Th1和Th2分化的關鍵調控因子，可調節Th2細胞因子位點IL-4、IL-5、IL-13基因。乳酸可顯著增強GATA-3的乙酰化，介導Th2抗炎細胞因子IL-4和IL-13表達的上調，抑制免疫應答。

此外，乳酸還能作用于細胞膜上的G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptors)GPR81，通過GPR81/β-arrestin2/NF-κB或GPR81/β-arrestin2/NLRP3信號通路，抑制腫瘤組織中巨噬細胞炎癥反應；募集全身的免疫抑制細胞[如髓源性抑制細胞(myeloid-derived suppressor cells，MDSCs)]以抑制腫瘤組織中NK細胞功能；阻止樹突狀細胞(dendritic cells，DCs)分化并使其耐受，誘導IL-10的產生，抑制IFN-γ、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor，TNF-α)、IL-1β和IL-6等免疫激活性細胞因子的產生，加重腫瘤微環境的免疫抑制狀態[8]；在腫瘤相關巨噬細胞(tumour-associated macrophages，TAMs)中，乳酸上調還能驅動編碼血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)和精氨酸酶1(arginase 1，ARG1)的缺氧誘導因子-1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)依賴性轉錄，促使其向M2表型分化，產生IL-10和轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)等抗炎細胞因子，影響腫瘤免疫[9]。

綜上，腫瘤細胞大量攝取葡萄糖同時增加乳酸分泌的糖代謝模式，對腫瘤免疫有廣泛的影響，包括誘導Tregs、M2型巨噬細胞分化，抑制CTLs、DCs的增殖分化，NK細胞功能等，協助實現腫瘤免疫逃逸。

1.2 脂質代謝產物對腫瘤免疫的影響脂肪酸是近年來腫瘤代謝研究的活躍領域，多數情況下，腫瘤細胞中脂肪酸合成代謝的關鍵酶，如甾醇調節元件結合蛋白、脂肪酸合酶(fatty acid synthase, FAS)的表達增加，脂肪酸的合成代謝占主導地位。釋放到TME中的脂肪酸代謝產物可通過多種途徑，影響免疫細胞的代謝表型和功能。

1.2.1對巨噬細胞的影響 對于不同極化狀態下的巨噬細胞[10]，腫瘤脂肪酸代謝產物對其影響存在顯著差異。其中，M1型巨噬細胞在攝取過多的不飽和脂肪酸后，可刺激IL-1α的產生，導致炎癥加劇，這會進一步刺激巨噬細胞中脂肪酸合成增加，有助于M1型巨噬細胞炎癥功能的發揮。而M2型細胞則主要通過脂肪酸受體CD36攝取微環境中的甘油三酯，經溶酶體酸性脂肪酶分解后，通過細胞內高水平肉毒堿棕櫚酰基轉移酶1α(carnitine palmitoyl transferase 1α，CPT1α)，介導脂肪酸線粒體跨膜轉運，協調線粒體呼吸和脂肪酸氧化的轉換，在增加脂肪酸代謝的同時減少炎性細胞因子的產生。

1.2.2對DCs的影響 未成熟的DCs依賴氧化磷酸化來滿足自身的能量需求，而經Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)刺激后的活化DCs可顯著增加細胞糖酵解以及脂肪酸的合成代謝，降低氧化磷酸化途徑的代謝水平。在腫瘤相關DCs中，脂質的積累通過減少抗原遞呈而導致DCs功能障礙，對T細胞反應刺激應答失活，出現以抑制效應為主的腫瘤免疫微環境。

1.2.3對T細胞的影響 TME中氧和葡萄糖的缺乏使T細胞增加脂肪酸攝取和分解代謝，并伴隨其生物學功能的改變。如前所述，Tregs細胞以脂肪酸氧化為主要供能方式，在富含脂肪酸的腫瘤微環境中其免疫抑制作用顯著增強，有利于腫瘤免疫逃逸。與此同時，Tregs特征性轉錄調控因子Foxp3，能調控多種基因來調節Tregs的代謝與生物學功能，如進一步促進Tregs脂肪酸攝取，脂肪酸氧化和氧化磷酸化，增強Tregs對脂毒性環境的抵抗力，并增強其對CD8+T細胞的抑制作用[11]。

1.3 氨基酸代謝產物對腫瘤免疫的影響氨基酸也是腫瘤的主要能量來源之一，其代謝及產物對腫瘤免疫產生影響。

1.3.1Gln代謝及影響 除warburg效應外，腫瘤細胞還能依賴外源性Gln，為細胞的生物學活動提供能量。無論在體內還是體外，Gln代謝限制均可抑制腫瘤的生長。但同時，Gln是T細胞激活和生長過程中必不可少的底物，其經谷氨酰胺酶(glutaminase，GLS)代謝生成的谷氨酸(glutamate，Glu)，進一步轉化為α-酮戊二酸，進入三羧酸循環，參與氨基酸，脂肪酸和核苷酸的生物合成，有利于促進CD4+T和CD8+T初始細胞的活化和增殖、維持CTLs、Th1細胞活性[12]。當Gln通過2型中性氨基酸轉運蛋白被T細胞攝取，其遺傳消融作用可以阻止Th1和Th17細胞的誘導；而在Gln剝奪條件下，α-酮戊二酸激活的mTORC1通路被抑制，可導致CD4+T細胞分泌的IL-4增加、IFN-γ減少，Th1細胞轉錄因子T-bet表達抑制[13]。因此，Gln被認為是一種限制性代謝物，在腫瘤誘導的免疫抑制中發揮重要作用[14]。

1.3.2Trp代謝及影響 在惡性腫瘤微環境中，Trp降解常導致抗腫瘤免疫反應的抑制。眾所周知，腫瘤細胞常過度表達氨基酸分解代謝酶吲哚胺-2,3-雙加氧酶，將Trp降解為犬尿氨酸(kynurenine，Kyn)、犬尿酸、3-羥基犬尿氨酸和3-羥基鄰氨基苯甲酸等產物，能激活β-連環蛋白信號，促進腫瘤細胞增殖；Kyn釋放到周圍環境中，與芳烴受體結合后，可通過激活調控阻遏蛋白激酶2，影響多種免疫細胞亞群的代謝與功能：如抑制NK細胞和抗原呈遞細胞活性，阻止T細胞增殖，使Th17分化受損但促進Tregs增殖。

1.3.3Arg代謝及影響 Arg也是影響T細胞功能的重要氨基酸。部分惡性腫瘤細胞缺乏精氨酸琥珀酸合成酶1(argininosuccinate 1，ASS1)，不能通過尿素循環來合成Arg，必須利用外源性Arg才能滿足其生長、增殖的需求，由此造成缺乏Arg或ASS1的腫瘤微環境，在抑制T細胞有氧糖酵解的同時，影響細胞增殖，抑制Th1和Th17細胞的極化，減少細胞因子的產生以及CD25和CD28等活化標志物的表達。升高Arg水平可顯著提高記憶T細胞的生存能力和抗腫瘤活性[15]。

1.4 能量代謝產物對腫瘤免疫的影響腫瘤細胞在缺氧應激或死亡后，釋放大量ATP到腫瘤微環境中，在胞膜核酸酶CD39、CD73作用下，被代謝成ADP、AMP后增加腺苷的含量[16]。CD73利用多種機制介導抗腫瘤活性，包括：上調Tregs、Bregs和MDSCs的抑制功能，促進腫瘤生長、血管生成和轉移擴散。代謝產物腺苷通過作用于不同的G蛋白偶聯受體(A1、 A2A、A2B、A3)，發揮不同的生物學功能，其中A2A受體的激活對免疫系統的影響最大，具體如下：

1.4.1對CD4+T細胞的影響 作用于初始T細胞上的A2A受體能增強其共抑制受體(PD-1、CTLA-4、LAG-3、TIM-3等)的表達，促進初始CD4+T細胞分化為Tregs細胞，并促進A2A和A2B信號的旁分泌和自分泌，進一步促進Tregs細胞的抑制功能。

1.4.2對CD8+T細胞的影響 在A2A及A3受體共同作用下，初始T細胞受體信號以及CD28共刺激和IL-2R信號被抑制，抑制CD8+T細胞的增殖、分化、成熟及IL-2、IFN-γ、顆粒酶B等因子的產生。

1.4.3對NK細胞的影響 A2A信號可通過減少Fas配體、穿孔素和IFN-γ的表達來抑制NK細胞的成熟和功能，同時促進抑制性細胞因子TGF-β和IL-10的分泌。

1.4.4對巨噬細胞的影響 巨噬細胞上的A2A和A2B在腺苷的作用下，更易向具有免疫抑制效應的M2型分化，誘導IL-10、VEGF和ARG1的生成，促進腫瘤轉移。

1.4.5對DCs的影響 在DCs中，腺苷介導的A2A和A2B信號通路激活，在促進免疫抑制性細胞因子IL-10、TGF-β表達的同時，還能抑制促炎性細胞因子IL-12及共刺激分子CD80，CD86的表達，發揮腫瘤免疫抑制效應[17]。

2 小分子代謝產物對腫瘤血管生成的影響

腫瘤的異常代謝不僅介導了上述以免疫抑制為主的腫瘤微環境，同時通過分泌HIF、VEGF等促血管生成因子，介導內皮細胞增殖、遷移，改變血管通透性，促進腫瘤轉移，導致病情惡化。而眾多腫瘤代謝產物能夠對血管生成及其相關分子產生顯著影響，共同促進疾病進展[18]。

2.1 糖代謝產物對腫瘤血管生成的影響眾所周知，乳酸是HIF-1α/VEGF信號通路的重要刺激因子，能顯著促進血管新生[19]，刺激包括胰腺癌、結腸癌、肝癌、乳腺癌、肺癌和宮頸癌等多腫瘤細胞膜表面乳酸受體GPR81的表達，參與腫瘤細胞的增殖、生長和轉移。這種乳酸介導的GPR81活化通過激活細胞內PI3K/AKT信號通路，增加雙調蛋白等促血管形成因子的分泌，促進病理性血管的新生。此外，乳酸可影響包括免疫細胞在內的其他細胞的功能，干預腫瘤病理性血管的生成，其中研究較多的是TAMs。如乳酸通過上調其VEGF表達促進新生血管的形成[20]；通過上調應激相關蛋白(regulated in development and in DNA damage response 1，REDD1)，抑制mTOR信號誘導的糖酵解，造成血管結構異常。相反，REDD1缺陷型TAMs激活mTOR，增加糖酵解，與臨近的內皮細胞競爭葡萄糖，從而促進血管結構正常化，抑制腫瘤轉移[21]。這為腫瘤的治療提供了新的思路。

2.2 脂質代謝產物對腫瘤血管生成的影響如前所述，腫瘤微環境中的脂質代謝產物除了通過CD36介導腫瘤免疫耐受外，還可以通過多種途徑，影響腫瘤血管的生成。血小板反應蛋白-1(thrombospondin-1，TSP-1)是抑制病理性血管增生的重要分子，脂肪酸能與TSP-1競爭血管內皮細胞上的CD36受體，減弱下游Src同源性2域蛋白酪氨酸磷酸酶1的募集及VEGFR2信號的激活，解除CD36/TSP-1信號對VEGF信號的抑制作用，進而促進內皮細胞增殖，遷移及管狀結構生成等[22]。此外，白細胞分化抗原47(cluster of differentiation，CD47)對于TSP-1介導的血管NO信號途徑是至關重要的。CD47與TSP-1結合，參與激活血小板，抑制血管上皮細胞 NO-cGMP 信號傳導，從而引起血管收縮和血管內皮細胞增生，促進細胞增殖。同時CD47能夠調節CD36和VEGFR2，從而抑制血管生成。

2.3 氨基酸代謝產物對腫瘤血管生成的影響氨基酸代謝對腫瘤血管生成的影響與內皮細胞功能密切相關，研究較多的有Gln、Arg、瓜氨酸等。其中，Gln在內皮細胞增殖、遷移和發芽中有重要作用。內皮細胞通過細胞內Gln分解代謝影響血管生長，使FoxO蛋白1發生丟失，導致血管增生和血管擴張。干擾內皮細胞的 GLS能降低尖端內皮細胞的分化能力，而抑制內皮細胞谷氨酰胺代謝會減弱尖端細胞的遷移能力和莖細胞的增殖，誘導內皮細胞產生衰老表型，對體內血管出芽產生抑制作用。

多數腫瘤細胞會產生過量的NO，這也是促進腫瘤新血管生成、增殖、轉移以及抗腫瘤免疫的重要機制之一。瓜氨酸作為內源性合成Arg的前體，通過刺激可溶性鳥苷環化酶，引起細胞內環鳥苷單磷酸升高，最終導致血管舒張，從而增加促血管生成因子NO的合成。而谷氨酰胺能夠抑制瓜氨酸轉運，削弱瓜氨酸轉化為精氨酸，進而抑制精氨酸在內皮細胞內轉化為 NO，調控血管壓力和張力。

2.4 能量代謝產物對腫瘤血管生成的影響線粒體及其代謝產物腺苷在血管生成中也有重要作用。在腫瘤微環境中，腺苷與其受體結合后，可誘導腫瘤細胞或間質細胞通過上調VEGF、堿性成纖維細胞生長因子、IL- 8、TSP-1等促血管生成因子或下調抗血管生成因子，促進血管內皮細胞增殖、遷移和新毛細血管網絡的形成[23]。有研究發現，腺苷介導的這一信號通路可為某些病理性組織提供多達50%-70%的新生血管[24]。

3 展望

腫瘤的抑制性免疫微環境與腫瘤血管生成共同促進了腫瘤的發生發展。而小分子代謝物通過影響多種免疫細胞特別是T細胞的增殖、分化、功能等，對機體的免疫系統發揮作用，導致腫瘤免疫逃逸。同時，這些代謝物能夠影響血管形成，這對腫瘤的侵襲與轉移至關重要。近年來，腫瘤代謝領域引起了癌癥研究人員的極大關注，對代謝產物的多方面深入研究可以加強我們對腫瘤內代謝異質性的理解，而代謝組學的發展，為腫瘤代謝的深層次研究提供了新興手段。全面了解腫瘤代謝特征，為腫瘤治療提供新的切入點。

就目前而言，惡性腫瘤的治療已經進入到免疫治療時代，從作用機制來看，抗血管生成藥物聯合免疫治療具有較好的理論基礎。從臨床實踐來看，免疫治療聯合抗血管生成藥物確實給患者帶來生存獲益。從腫瘤自身代謝出發，緊密連接免疫與血管，是腫瘤治療的又一關鍵突破口。遺憾的是，目前還沒有藥物能夠成功地同時靶向免疫與血管，從而有效地阻止腫瘤進展，并無不良反應且不產生耐藥性。我們希望，可以找到同時影響免疫與血管的關鍵性小分子代謝物，開發出特異性的靶向抑制劑，提高藥物療效，最終達到令人滿意的抗腫瘤效果，減輕病人的痛苦，延長患者生存期。