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Science | 小分子药物抑制癌症“代谢检查点”助力T细胞杀死肿瘤

2019年11月20日 10:59 转发自BioArt 点击:[]

肿瘤细胞由于特殊的物质与能量需求,会采用与正常细胞完全不同的代谢方式,而这一过程就是我们熟知的Warburg effect。即肿瘤细胞除了通过有氧糖酵解途径代谢葡萄糖之外,还会大量吸收谷氨酰胺为合成生物大分子提供必需的碳源和氮源。长久以来,肿瘤细胞的这一代谢特征一直被认为也适应于其他快速增殖细胞,比如T细胞的活化与增殖 【1】 。而肿瘤细胞这种特异性的代谢方式除了满足其自身的物质和能量需求之外,还会创造出一个低氧、酸性、营养缺乏的肿瘤微环境,不利于免疫细胞的存活,从而抵御抗肿瘤免疫反应 【2】 。因此,一个重要的问题是,免疫细胞能否根据肿瘤细胞这一代谢特征而采取有效的应对措施?


2019年11月8日,来自约翰霍普金斯医学院的Jonathan D. Powell研究团队在Science 上发表了题为  Glutamine blockade induces divergent metabolic programs to overcome tumor immune evasion  的研究, 揭示了肿瘤细胞与效应T细胞在阻断谷氨酰胺代谢之后完全不同的代谢特征 。他们发现, T细胞与肿瘤细胞相比具有更强的代谢可塑性,并在拮抗谷氨酰胺代谢之后通过代谢重编程而持续激活,从而最大程度杀伤肿瘤细胞。


基于肿瘤细胞对谷氨酰胺产生依赖的认知,科学家们一直在努力尝试通过阻断谷氨酰胺代谢来达到杀死肿瘤细胞的目的。遗憾的是,人们发现单独抑制其中一种谷氨酰胺酶  (glutaminase)  效果十分有限,因为肿瘤细胞早已进化出其他旁路来“绕过”靶向治疗。因此,作者考虑到一种谷氨酰胺的结构类似物——6-Diazo-5-oxo-L-norleucine  (DON)  ,该小分子可以非常广谱且有效的抑制以谷氨酰胺为底物的酶的活性。事实上,DON在前期已经被用于临床试验,但是由于其毒性太大而终止于临床II期试验 【3】 。作者猜测,阻断谷氨酰胺代谢除了能够抑制肿瘤本身的生长之外,是否还能作为免疫代谢检查点,激活抗肿瘤免疫?为了验证这一猜想,作者开发了一种小分子抑制剂JHU083  (需要在肿瘤微环境中经过酶切才能转化为DON,从而避免DON的毒性)  ,小鼠实验表明,在接受JHU083治疗之后,移植瘤增长得到显著抑制且小鼠生存期也明显延长。此外,用C13标记的葡萄糖对代谢物进行示踪,作者发现JHU083处理不仅能抑制葡萄糖代谢的旁路—磷酸戊糖途径从而抑制核苷酸的合成,而且肿瘤内的谷氨酰胺、葡萄糖水平以及氧气含量都有所提升,这意味着肿瘤微环境整体得到了改善。


那么,肿瘤微环境的改善是否可以增强免疫细胞的功能?考虑到抑制谷氨酰胺代谢也会很大程度破坏淋巴系统的功能,于是作者先于T细胞过继转移  (adoptive cell transfer,ACT )  治疗之前对荷瘤小鼠进行给药处理。结果表明JHU083能显著抑制肿瘤的生产且延长小鼠的生存期,另外,将JHU083与PD1抗体进行联用其治疗效果明显优于单独使用PD-1抗体。更有意思的是,作者发现单独使用JHU083就可以很大程度杀伤肿瘤细胞,并且不会像之前担心的那样抑制抗肿瘤免疫细胞的活性。此外,作者发现给单独使用JHU083处理后的小鼠再去移植肿瘤细胞,肿瘤则完全不能生长,这提示小鼠体内或许建立了免疫记忆。种种迹象表明,单独抑制谷氨酰胺代谢似乎就足以激活抗肿瘤免疫反应。


那么抑制谷氨酰胺代谢是如何来增强抗肿瘤免疫反应的呢?通过实验作者发现,原来抑制谷氨酰胺代谢并不是像预期一样通过改善肿瘤微环境来增强免疫细胞功能,而是直接可以激活CD8+ T细胞,即使没有肿瘤存在!那么这其中具体的分子机制又是什么呢?通过代谢流分析,作者发现用DON去阻断谷氨酰胺代谢会抑制肿瘤细胞的氧化磷酸化,但这一代谢途径在T细胞中却是升高的。通过C13标记示踪代谢物,作者发现原来T细胞在谷氨酰胺代谢被抑制之后可以利用acetate作为碳源来供给TCA循环,这与最近报道的acetate对于维持CD8+ T细胞活性十分重要的发现刚好是一致的 【4】 。进一步研究则表明,肿瘤细胞与效应T细胞在阻断谷氨酰胺代谢之后具备完全不同的代谢特征:与肿瘤细胞相比,T细胞可以通过代谢重编程上调葡萄糖代谢来回补TCA循环,从而展现出更强的代谢适应能力。


综上, Jonathan D. Powell教授的工作不仅揭示了肿瘤细胞和T细胞在应对谷氨酰胺代谢被抑制之后巨大的代谢差异,并且成功通过一种小分子化合物—JHU083在抑制肿瘤代谢的同时激活T细胞功能,使得机体免疫系统能够最大程度地杀伤肿瘤细胞。更重要的是,他们提出了“代谢检查点”的概念,这对于肿瘤免疫治疗领域来说无疑是一个里程碑式的发现。

原文链接:
https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/06/science.aav2588


制版人:珂


参考文献



1. K.A.Frauwirth et.al. The CD28 signaling pathway regulates glucose metabolites. Immunity 16, 769-777(2002).
2. S.Kouidhi,F et al. Targeting tumor metabolism: A new challenge to improve immunotherapy. Front. Immunol. 9, 186 (2018)
3. G.Lynch et al. Phase II evaluation of DON(6-Diazo-5-oxo-L-norleucine) in patients with advanced colorectal carcinoma. Am.J.Clin.Oncol.5.541-543 (1982).
4. M.L.Balmer,E et al. Memory CD8+ T cells require increased concentrations of acetate induced by stress for optimal function. Immunity 44, 1312-1324(2016).


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