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Cell Metab | 肿瘤微环境如何抑制NK细胞抗肿瘤活性?

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  撰文 | Qi

  肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)能引起细胞毒性免疫细胞的严重功能障碍,而癌症患者TME中NK细胞的细胞毒性受损程度与许多癌症的预后密切相关【1】。然而,对于TME中NK细胞功能障碍的基本机制仍知之甚少。

  肿瘤细胞具有强烈的代谢需求以支持其快速增殖,TME中缺乏包括葡萄糖和谷氨酰胺在内的代谢营养素,但富含包括乳酸和缺氧在内的代谢废物。肿瘤细胞适应于在这种代谢不利的环境中生长,这是由于它们增加了代谢底物的灵活性、对氧化应激损伤的抵抗力以及被称为Warburg效应的独特STAT3介导的代谢程序【2】。Warburg代谢的特点是糖酵解和合成代谢增加,同时减少对线粒体氧化代谢的依赖。然而,NK细胞使用葡萄糖作为其主要代谢燃料,并需要提高葡萄糖驱动的糖酵解和线粒体氧化磷酸化(OxPhos)来实现其抗肿瘤反应。由此可见,针对免疫细胞代谢适应的研究具备巨大潜力,以克服TME中的免疫抑制和逃逸问题。

  考虑到NK细胞的抗原无限制的肿瘤细胞杀伤机制,NK细胞不仅可以抵抗抗原漂移(antigenic drift)引起的肿瘤逃逸,还具有广泛有效对抗异质性肿瘤类型的潜力。重要的是,由于NK细胞疗法能够区分恶性细胞和健康细胞,已证明对血液系统恶性肿瘤患者有效且安全【3】。然而,TME对NK细胞抗肿瘤活性的抑制仍然是将其治疗潜力扩展到实体肿瘤的一个重要障碍。

  2021年4月13日,来自加拿大麦克马斯特大学的Ali A. Ashkar团队在Cell Metabolism杂志上发表了一篇题为“Metabolic flexibility determines human NK cell functional fate in the tumor microenvironment”的文章。研究发现代谢灵活性是TME中NK细胞命运的关键决定因素,通过底物灵活性提高细胞毒性免疫细胞的代谢资源,可以作为肿瘤免疫治疗的一种有前途的治疗策略。

  

  首先,作者从卵巢癌患者的TME中分离出肿瘤相关(ta)NK细胞,并证实与外周血(pb)NK细胞相比,它们在体外杀伤OVCAR8人类卵巢癌细胞的能力受损。不仅如此,作者将表达荧光素酶的OVCAR8细胞与人类pbNK或taNK细胞联合应用于免疫缺陷小鼠,与pbNK细胞相比,taNK细胞在小鼠体内阻止肿瘤植入和控制肿瘤生长的能力显著受损。因此,癌症患者的细胞毒功能受损直接导致肿瘤免疫逃逸。考虑到TME中的代谢改变,作者随即检测了细胞外酸化率(ECAR)、细胞耗氧率(OCR)、Glut1葡萄糖转运体表达及ATP生成率等指标,显示癌症患者taNK细胞的功能障碍与NK细胞抗肿瘤反应的葡萄糖代谢需求的广泛损害相对应。

  为了研究TME是否直接导致taNK细胞的代谢损伤,作者利用卵巢癌患者的恶性腹水建立了人TME的离体模型,在腹水TME(ascTME)或正常培养基中体外培养pbNK细胞3天,与对照pbNK细胞相比,ascTME暴露的pbNK细胞在葡萄糖代谢和线粒体功能方面表现出广泛的损伤,与代谢缺陷相一致,其抗肿瘤功能同样丧失。

  虽然TME中NK细胞抑制仍然是阻碍NK细胞治疗实体肿瘤的主要障碍,该团队最近报道使用表达IL-21的“供料”细胞扩增的NK细胞(exNK)能够消除荷人卵巢癌小鼠肿瘤,并且在肺癌模型中也同样有效【4, 5】。STAT3信号是Warburg肿瘤细胞代谢重编程的主要驱动因素,有意思的是,STAT3 exNK细胞有许多类似肿瘤细胞的适应性:除了快速增殖外,还能抵抗增殖衰老,发育出更长的端粒。那么这种STAT3-exNK细胞是否具有类似于肿瘤细胞的代谢适应性,从而使它们能够更好地抵抗TME的抑制呢?

  为此,作者首先比较了exNK细胞和pbNK细胞的代谢情况,exNK细胞糖酵解的特异性上调和OxPhos的下调模拟了肿瘤细胞经典的Warburg代谢模式,提示这类细胞可能在代谢上更好地适应TME。紧接着,作者分别评估了exNK细胞在体外和体内的抗肿瘤作用,结果显示exNK细胞杀死OVCAR8细胞的能力显著增强,且经暴露于TME的exNK细胞处理的荷瘤小鼠肿瘤负担呈现出显著降低的趋势。

  值得注意的是,作者在分析暴露于ascTME或正常培养基中的pbNK细胞和exNK细胞的蛋白质组学数据后发现,ascTME中的pbNK细胞显著增加了脂质过氧化、氧化损伤、衰老和自噬途径等相关蛋白的表达。那么根据这一结果,作者想知道靶向氧化应激是否能恢复pbNK细胞在TME中的代谢和功能呢?于是,作者使用抗氧化防御的中枢调节因子Nrf2的激活剂——RTA-408处理pbNK细胞,其抗肿瘤活性得到显著恢复,提示氧化损伤是TME损伤NK细胞葡萄糖代谢、线粒体功能及细胞毒性的重要机制。

  最后,在阐明了NK细胞如何在TME中受到代谢抑制的机制之后,作者想知道exNK细胞维持其代谢适应性并在TME中特异性增强抗肿瘤活性的机制。在暴露于ascTME之后,exNK细胞显著上调了参与谷胱甘肽抗氧化防御的酶,并下调许多使用丝氨酸和谷氨酸的酶,也就是说exNK细胞采用一种将代谢物输送到抗氧化防御系统的模式,模拟了肿瘤细胞用来减轻TME中不受调控的氧化损伤的代谢适应。此外,pbNK细胞显示出依赖葡萄糖和脂肪酸氧化来满足能量需求,与之相反的是,exNK对所有燃料表现出完全的灵活性,展示了任何单一燃料以满足其全部能量需求的非凡能力。

  

  总的来说,这项工作揭示了NK细胞对实体瘤的一种不可预见的抗肿瘤能力,并有力地支持了对用于实体瘤治疗的代谢灵活性NK细胞的未来临床研究。这些数据也有助于推动利用免疫细胞代谢谱以预测其功能命运的应用,以确定具备最大抗肿瘤潜力的细胞疗法。

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  https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.03.023

  制版人:琪酱

  参考文献

  1. Belisle, J.A., Gubbels, J.A., Raphael, C.A., Migneault, M., Rancourt, C., Connor, J.P., and Patankar, M.S. (2007). Peritoneal natural killer cells from epithelial ovarian cancer patients show an altered phenotype and bind to the tumour marker MUC16 (CA125).Immunology122, 418–429.

  2. Warburg, O. (1925). The metabolism of carcinoma cells.J. Cancer Res. 9, 148–163

  3. Ciurea, S.O., Schafer, J.R., Bassett, R., Denman, C.J., Cao, K., Willis, D., Rondon, G., Chen, J., Soebbing, D., Kaur, I., et al. (2017). Phase 1 clinical trial using mbIL21 ex vivo-expanded donor-derived NK cells after haploidentical transplantation.Blood130, 1857–1868.

  4. Poznanski, S.M., Nham, T., Chew, M.V., Lee, A.J., Hammill, J.A., Fan, I.Y., Butcher, M., Bramson, J.L., Lee, D.A., Hirte, H.W., and Ashkar, A.A. (2018). Expanded CD56superbright CD16+ NK cells from ovarian cancer patients are cytotoxic against autologous tumor in a patient-derived xenograft murine model.Cancer Immunol.Res. 6, 1174–1185.

  5. Poznanski, S.M., Ritchie, T.M., Fan, I.Y., El-Sayes, A., Portillo, A.L., Ben-Avi, R., Rojas, E.A., Chew, M.V., Shargall, Y., and Ashkar, A.A. (2021). Expanded human NK cells from lung cancer patients sensitize patients’ PDL1-negative tumors to PD1-blockade therapy. J. Immunother.Cancer9, e001933.

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