肿瘤微环境（TME）中存在几个非冗余特征以促进免疫抑制和限制抗肿瘤免疫应答。这些特征包括免疫浸润的物理屏障、抑制性免疫细胞的招募以及与抑制性受体结合的配体表达上调等。最近对肿瘤微环境的研究发现T细胞的代谢限制现象，可能是抗肿瘤免疫治疗策略中的关键。涉及代谢限制的疗法，如针对低葡萄糖水平、低pH值、缺氧和抑制性代谢物的产生，已显示出对于不同类型癌症的联合疗法的前景。2021年12月来自美国匹兹堡大学免疫学系的Greg M. Delgoffe教授课题组在《Nature Reviews Immunology》上发表了一篇名为“Metabolic barriers to cancer immunotherapy”的综述，详细讨论了在免疫检查点阻断、过继细胞治疗和溶瘤病毒治疗的背景下的抗肿瘤T细胞代谢反应与联合策略。      

自2011年FDA批准第一个检查点抑制剂以来，癌症免疫治疗领域的研究开始呈指数级增长。然而，许多癌症患者对免疫治疗无反应，因此代谢途径在决定T细胞在抗肿瘤免疫的命运和功能中的作用开始引起人们的极大关注。基于检查点抑制、过继细胞治疗(ACT)和溶瘤病毒OVs的抗肿瘤免疫治疗策略都需要持续的效应性T细胞反应来诱导持久的临床反应。这些T细胞必须进入肿瘤微环境(TME)，肿瘤缺氧、低pH、抑制性代谢物存在和营养物质利用率低都会阻碍T细胞的最佳效应。这些免疫疗法都在不同的阶段影响T细胞反应：阻断CTLA4可释放对T细胞启动和激活的限制；阻断PD1能够解除对TME中低PD1祖T细胞群激活的限制；OVs治疗可诱导新的抗病毒和抗肿瘤反应的启动和激活；ACT则绕过了对激活和扩张的抑制。然而，由于细胞扩增，免疫细胞可能在进入肿瘤时经历代谢限制过程(图1)。      

图1：作用于免疫治疗反应不同阶段的代谢障碍  

在这些治疗干预的背景下，效应T细胞在肿瘤中的代谢抑制并没有得到解决。在TME中解决免疫反应的代谢限制，并与当前的治疗干预相结合可能会提高免疫治疗应答率。本文主要讨论不同的代谢途径在抗肿瘤免疫细胞功能中的作用（检查点阻断、过继细胞治疗和OVs）与靶向代谢障碍的策略。      

TME中的代谢关系    

癌症的一个标志是在避免细胞死亡的同时持续生长和细胞增殖。直到最近，TME中代谢变化的组织对未转化细胞(如浸润性免疫细胞)的影响才被认识到。营养物质、代谢物和免疫细胞之间的相互作用可能在免疫编辑和肿瘤逃逸中发挥主要作用(图2)。尽管存在足够水平的氧气用于氧化磷酸化(OXPHOS)，肿瘤细胞利用糖酵解转换能量(ATP)的能力，形成了一条更有效的ATP生成途径——Warburg效应。利用葡萄糖进行糖酵解和细胞的快速增殖使TME耗尽了浸润免疫细胞（如效应T细胞）所需的营养物质，同时在TME中积累了丰富的免疫抑制代谢物。在TME中，营养和氧气缺乏的肿瘤部位可能会对T细胞施加代谢压力，从而影响其分化和功能。肿瘤对葡萄糖的高利用还会导致产生大量乳酸作为副产品，从而降低TME的pH值。这可能会损害T细胞的杀伤活性和细胞因子的产生。乳酸已被证明使巨噬细胞极化为耐受性M2型，并改变调节性T细胞(Treg细胞)的代谢以维持其在低糖环境中的活性。经历快速增殖的肿瘤细胞需要增加的血流量，从而将营养物质和氧气输送到TME中，并产生血管生成因子。这可能会导致肿瘤中血管系统的紊乱和极端缺氧环境的形成，进一步限制了免疫细胞的浸润，导致免疫抑制代谢副产物的积聚。这些代谢变化虽然对效应器T细胞功能有害，但不会对抑制性免疫细胞（如Treg细胞或抑制性骨髓细胞）产生负面影响。  

代谢重编程在T细胞的分化和活化中起着核心作用，T细胞从静止到激活、增殖、分化和渗透的转换需要大量能量。代谢途径在T细胞中具有免疫调节作用，能够改变表观遗传组，影响细胞命运。不同的分化T细胞亚群利用不同的代谢途径：经典幼稚T细胞以静息状态存在，代谢活动最低；效应器T细胞迅速增加葡萄糖摄取和有氧糖酵解，这使得核苷酸合成ATP产生增快，并解除翻译抑制以促进细胞因子的产生，中间产物从三羧酸(TCA)循环中释放出来，以产生代谢副产物。静息和激活的T细胞都可以吸收外源性的脂类，并氧化细胞内储存的脂类，在有氧条件下进行β氧化生成ATP。因此，新激活的T细胞可以通过多种营养来源促进其增殖和分化，创造具有不同效应功能的克隆群体。Treg细胞糖酵解率低，主要利用脂肪酸氧化进行代谢。Treg细胞上调了脂肪酸转运蛋白的转录，同时也可以吸收替代的代谢物，如丁酸盐和乳酸，使Treg细胞在TME内发挥最佳功能，并导致CD4+T细胞和CD8+T细胞的活性损害。  

同时，T细胞的代谢影响着它们进出次级淋巴器官（SLO）和组织的转运。在初始T细胞激活过程中，PI3K-AKT-mTOR轴下调SLO归巢受体CD62L、CCR7和S1P1的表达，同时上调趋化因子受体CXCR3和CCR5的表达，以允许其从SLO外流。在效应T细胞分化为记忆细胞的过程中，低mTOR活性会导致CD62L和CCR7表达增加，从而增加运输和监控，且IL-15促进的线粒体的氧化代谢也会增加。在记忆T细胞中，mTOR复合物感受到葡萄糖和氨基酸等营养物质以及相对的ATP水平，会刺激线粒体的生物合成，从而增加线粒体的呼吸能力，并在营养缺乏等应激情况下有效利用代谢途径。大多数长寿细胞在线粒体膜上的OXPHOS产生的能量支持了这些细胞的长期存续。  

综上所述，T细胞需要各种“燃料”来源才能有效地激活、增殖、分化、定位组织部位、寻找抗原并执行其效应器功能。由于在每个步骤中利用的代谢途径可能是不同的，不同组织部位对营养物质的不同获取可能会改变T细胞分化和功能的途径。这在抗肿瘤免疫中是至关重要的，在抗肿瘤免疫中，T细胞的激活、组织归巢、抗原识别和细胞毒性的功能被TME的抑制机制所改变。  

图2：肿瘤微环境中的代谢抑制

免疫检查点阻断    

免疫检查点通常是T细胞等免疫细胞表达的共抑制受体，对于预防自身免疫和免疫病理学至关重要；然而，在癌症的背景下，它们可以抑制抗肿瘤免疫反应。免疫检查点或其配体由TME内的各种细胞类型表达。通过检查点封锁进行免疫治疗，依赖于预先存在的抗肿瘤反应，即重新激活被抑制的免疫细胞。其中，免疫检查点可以通过低pH、低氧、抑制性代谢物的存在以及葡萄糖和营养缺乏对T细胞造成代谢障碍。  

1. 线粒体代谢    

线粒体对细胞功能至关重要；除了产生ATP外，线粒体还产生脂质、蛋白质和核酸的关键前体，并帮助适应细胞外和细胞内的压力，如DNA损伤、营养和氧气剥夺、内质网和氧化压力。小鼠B16黑色素瘤的TME分离的T细胞显示线粒体功能降低，超微结构较差，以及线粒体质量减少，与线粒体生物合成相关的转录因子（如转录共激活因子PGC1α）被抑制。肿瘤中衰竭的T细胞和慢性病毒感染的衰竭T细胞中存在线粒体缺陷，用PD1阻断治疗并不能逆转肿瘤T细胞的线粒体缺陷。通过遗传或药物手段增加T细胞中线粒体的生物合成与共刺激疗法，不仅可以恢复它们在肿瘤中的功能，而且还显示出与PD1阻断的协同效应。  

TME中的慢性抗原刺激、低氧条件和PD1信号都有助于线粒体活性氧的产生，通过诱导表观遗传变化进一步促进耗竭T细胞表型。靶向氧失衡可以与检查点阻断协同作用，提高抗肿瘤功能。线粒体在对抗免疫耗竭表型方面起着关键作用，代谢正常T细胞具有更好的线粒体表型和竞争营养的能力，更可能对PD1的阻断做出反应。  

2.缺氧    

线粒体需要氧气才能发挥最佳功能。肿瘤核心区域的缺氧通常是由于不规则的血管缺乏氧气的灌流、从血管到肿瘤核心的距离增加以及肿瘤本身耗氧倾向。由于氧是线粒体功能以及T 细胞等免疫细胞的功能和分化所需的后续能量和表观遗传变化的关键决定因素，因此改善缺氧可以促进抗肿瘤免疫并增强抗肿瘤免疫治疗反应。补充氧气可以降低肺肿瘤小鼠的免疫抑制性腺苷含量，增加 CD8+ T 细胞浸润和炎性细胞因子产生，减少 Treg 细胞介导的免疫抑制，从而提高存活率。当荷瘤小鼠用二甲双胍治疗时，二甲双胍可以作用于肿瘤细胞以降低其线粒体活性，肿瘤缺氧减少，T细胞的抗PD1反应改善。使用缺氧激活的药物 evofosfamide 已显示出类似的结果，它减少了前列腺癌小鼠模型中的肿瘤缺氧，使结直肠癌小鼠模型 CT26 中产生使脉管系统正常化的抗 VEGF 抗体。氧气水平不足会阻止 T 细胞成功激活或导致 T 细胞衰竭，这可能有助于挖掘检查点阻断的方法。因此，确定患者肿瘤的代谢特征可以识别检查点反应者并为潜在的联合治疗提供信息。      

3.糖酵解和谷氨酰胺分解    

在TME中，肿瘤细胞在葡萄糖方面的竞争胜过效应T细胞。CD4+ T细胞和 CD8+ T 细胞还需要在糖酵解过程中产生中间体用于增殖和细胞因子的产生。糖酵解本身可以通过抑制糖酵解酶（如 GAPDH 和 LDH）的 RNA 结合“兼职”功能以控制 T 细胞效应。肿瘤细胞具有高糖酵解率，它们产生大量副产物乳酸，乳酸通过减少增殖和细胞因子产生对 CD4+T细胞和CD8+ T细胞进行抑制。乳酸可以通过消耗细胞内 NAD+ 水平来损害效应 T 细胞，但能使Treg 细胞继续发挥作用。  

谷氨酰胺是细胞功能的关键氨基酸，在能量和代谢中间体的产生中具有同样重要的作用。进入细胞后，谷氨酰胺被谷氨酰胺酶转化为谷氨酸，谷氨酸进一步转化为α-酮戊二酸，进入 TCA 循环并导致产生可用于生产脂质、核酸和蛋白质的代谢中间体。许多癌细胞缺乏合成谷氨酰胺的酶，而是依赖外源性谷氨酰胺来源，谷氨酰胺代谢促进 T 细胞活化和增殖，因此TME中缺乏谷氨酰胺可能会抑制 T 细胞活性。      

4. 其他代谢途径。    

蛋氨酸是一种必需氨基酸，对 T 细胞分化很重要，细胞内蛋氨酸水平降低可导致表观遗传甲基供体 S-腺苷-L-蛋氨酸水平降低。细胞外精氨酸的缺乏也被证明会降低 T 细胞增殖。精氨酸酶 1 (ARG1) 由 TME 中的髓源性抑制细胞表达，可消耗肿瘤内的精氨酸水平。  

过继细胞疗法（ACT）    

用于ACT的治疗性T细胞在含有过量营养物质的培养基中在体外被激活和扩增，从而减轻这些细胞在肿瘤部位的启动、扩增和初始分化过程中可能存在的代谢障碍。一旦转移，这些细胞必须进入肿瘤，在营养受限的 TME 中发挥效应功能。ACT 提供了一个独特的机会来抵消转移前扩张过程中的这些代谢障碍。这可以通过在转移前调控细胞以提高其代谢适应性或通过全身治疗以支持转移性T细胞的代谢来实现。  

1. 代谢调节以增加记忆细胞的产生    

转移细胞的持久性及其向记忆细胞的分化是 ACT 的关键方面。研究表明 CART 细胞的持久性与更好的肿瘤清除率和增加的存活率相关。从中央记忆 T 细胞中获得用于过继转移的细胞在体内会产生更持久的记忆表型。大量工作表明，T 细胞向记忆细胞的分化很大程度上取决于特定代谢途径的普遍性。使用糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖抑制糖酵解，并在减少线粒体活性氧产生的条件下培养细胞，都被证明可提高自我更新能力与T细胞的抗肿瘤活性。雷帕霉素可以促进记忆T细胞的分化，通过抑制mTOR，以及促进氧化代谢和提高线粒体的数量和功能。通常培养条件下，ACT较难培养出有效的长寿记忆T细胞。因此，通过设计CART或在扩增过程中用代谢调节剂来处理细胞，通过改变T细胞的代谢情况，也许有助于稳定类似记忆的表型，从而提高T细胞的持久性和有效性。  

2.营养供应    

高度糖酵解的肿瘤更可能对 ACT 治疗表现出抗性，因为这些情况会损害T细胞运输和 T细胞毒性，这表明转移的免疫细胞需要葡萄糖。可以对细胞进行工程改造，以克服 TME 中缺乏葡萄糖的问题，从而提高抗肿瘤活性。通过在模拟 TME 的条件下培养CART细胞，细胞可以培养低营养适应性。这些低营养培养的细胞倾向于记忆样表型，并且在转移后表达较少的抑制性受体。  

3.缺氧    

临床批准的 CD19靶向CART细胞在缺氧条件下显示出效应功能降低和增殖率降低。由于其在低氧环境中的表现不佳，开发基于 CART 细胞的实体瘤疗法具有挑战性。通过在含有低氧水平的培养基中扩增治疗性 T 细胞使其适应缺氧状态，可以提高它们在转移后的抗肿瘤活性。与效应细胞产生的CART 细胞相比，由记忆 T 细胞产生的 CART 细胞在反应的持久性要优越得多。与其从可能在缺氧环境里表现更好的细胞群中获得用于ACT的细胞，不如将记忆T细胞与缺氧适应相结合，这可能是一个更好的策略。总之，这些数据表明T细胞适应缺氧的能力对发挥抗肿瘤活性有着重要作用。  

4.TME 特异性代谢物    

TME 中存在的某些代谢物可能对抗肿瘤免疫反应产生抑制作用。将 ATP 代谢为腺苷的胞外酶 CD39和CD73由Treg细胞、B 细胞、肿瘤相关巨噬细胞、肿瘤细胞和肿瘤脉管系统的内皮细胞表达。尽管 ATP 具有免疫刺激作用，但腺苷会抑制免疫细胞的效应功能。在乳腺癌小鼠模型中靶向腺苷A2A受体结合 CART 细胞疗法可提高治疗效果。TME 中离子的不平衡可能会破坏 T 细胞信号传导并导致 T 细胞功能丧失。改造细胞以更好地在这种条件下发挥作用，可能会改善实体瘤的 ACT 疗法结果。      

溶瘤病毒（OVs）    

OVs 可以选择性地感染和溶解肿瘤细胞。细胞死亡以免疫原性方式发生，主要产生记忆性CD8+ T细胞驱动的适应性免疫反应。新产生的 CD8+ T 细胞可能会靶向原发性感染病灶和转移部位。与 ACT 类似，OVs 对于几乎没有免疫细胞浸润的患者来说是一种有吸引力的方式。  

1.增强病毒复制和裂解能力    

OV 领域的大量工作都集中在提高病毒复制和裂解能力上。最近，已经研究了代谢调节剂以增加 OV 复制和 OV 细胞裂解能力的潜力。然而，OV治疗的作用机制尚不完全清楚。肿瘤细胞代谢偏向有利于 OXPHOS时，可以使肿瘤环境中更容易进行病毒复制和肿瘤细胞裂解。二氯乙酸 (DCA) 是一种丙酮酸脱氢酶激酶抑制剂，可诱导代谢向 OXPHOS 的转变，从而增加了新城疫病毒 (NDV) 复制。与单独使用 NDV 治疗相比，NDV和DCA联合治疗后肿瘤细胞释放的乳酸及其对葡萄糖的摄取减少，将促进小鼠的存活率增加。用 DCA 和溶瘤呼肠孤病毒或溶瘤麻疹病毒治疗肿瘤细胞，也增加了肿瘤细胞的裂解。当糖酵解被糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖阻断时，对于溶瘤腺病毒也观察到了类似的结果。确定病毒对复制和裂解的条件和要求，可能有助于识别出具有OV反应性的肿瘤患者。      

2.与OVs的联合治疗    

 OVs，尤其是基于 DNA 病毒的 OVs，可以将编码免疫或代谢调节剂的基因传递给肿瘤细胞。例如，被批准用于治疗黑色素瘤的基于疱疹病毒的 OV T-VEC 携带一个编码免疫刺激细胞因子GM-CSF 的基因，该基因可增加树突状细胞的活化和抗原呈递。通过设计的疫苗病毒株来促使肿瘤细胞产生免疫代谢的脂肪因子瘦素，对重塑TME和改善抗肿瘤免疫存在效果，显示出更高的干扰素-γ 和 TNF 产生、线粒体的增加、呼吸能力和细胞增殖的增多。瘦素分泌到 TME 中增强了记忆前体 T 细胞的发育。许多 OVs，如牛痘病毒、NDV 和水疱性口炎病毒，已被证明可诱导肿瘤中的血管萎缩。它将病毒保持在肿瘤内并增加肿瘤细胞死亡；然而它也会损害免疫细胞的浸润，并可能增加免疫浸润时的局部缺氧。  

代谢、OVs与免疫反应的研究是一个不断发展的领域。从这些研究中获得的见解将有助于识别更有可能对OV治疗产生反应的患者。OV T-VEC目前正与靶向 PD1检查点阻断进行联合研究。OVs与CART细胞结合也用于临床前模型，以改善实体瘤的反应。  

展望    

近年来，人们对免疫代谢领域的兴趣显著增加，不仅从代谢的角度揭示了免疫调节的基本见解，还揭示了许多潜在的治疗应用。首先，随着这些疗法走向临床应用，了解患者群体的异质性越发重要，如何整合这些信息，并将其用于设计患者肿瘤代谢特异性的免疫治疗策略是目前的关键。其次，肿瘤细胞代谢的异质性也必须在患者自身系统代谢的背景下进行理解和结合应用。饮食驱动和体重驱动的全身代谢变化可能会影响癌细胞的初始致癌转化及其进展，以及它们对抗肿瘤免疫反应的影响，确定代谢、激素和免疫功能如何相互交叉仍然至关重要。第三，许多关键代谢物并非来自患者自身的细胞，而是来自患者的微生物群，因此饮食或微生物群的改变可能对联合疗法有益。最后，随着更多不同类型的免疫疗法开始进入临床，继续评估它们免疫调节的基本机制仍然至关重要。对这些疗法的免疫代谢有更全面的了解，可能会让医生在了解患者自身 TME 的情况下设计组合策略，从而克服免疫疗法的代谢障碍。    

“论肿道麻”述评

随着对营养物质、代谢物和免疫细胞之间的相互作用在肿瘤微环境中的研究的不断深入，研究者们发现靶向代谢障碍可能是抗肿瘤免疫治疗策略中的关键。在低营养、缺氧、低pH与存在抑制性代谢产物的肿瘤部位，效应T细胞的分化和功能受损，能够影响其激活、增殖、分化、定位组织部位、寻找抗原与效应等各个环节。由于不同类别的免疫疗法在细胞分化和活化的不同阶段作用，每种抗肿瘤治疗所经历的代谢需求和障碍也因治疗干预手段而异。在检查点阻断、过继细胞治疗和OVs等治疗方法中，靶向免疫代谢限制，不仅能提高免疫治疗的应答率，同时能给予部分常规免疫治疗无反应病人新的希望。  

作者在本文中从代谢角度挖掘了肿瘤免疫抑制现象的深层机制，并将研究结果和临床转化结合，展示了未来靶向代谢的肿瘤免疫治疗蓝图。但肿瘤代谢疗法领域还存在许多亟待解决的问题，患者间的异质性、患者自身代谢背景的不同、患者微生物群都可能以独特的方式影响肿瘤微环境代谢与免疫细胞功能。如何探明异质性，并将其转化为个体化治疗方法，知微见著，充分挖掘出行之有效的联合治疗方法，是未来拓宽肿瘤免疫治疗领域的关键。  

编译：陈昭媛；述评：翁梅琳  

审校：张军；缪长虹   

参考文献：   Kristin DePeaux , Greg M Delgoffe. Metabolic barriers to cancer immunotherapy. Nat Rev Immunol. 2021 Dec;21(12):785-797.doi: 10.1038/s41577-021-00541-y. Epub 2021 Apr 29.  

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