乳酸支持肿瘤浸润调节性T细胞代谢

?研究背景?

?关于Treg

?调节T细胞（regulatoryTcell，Treg）：是一群具有负调节机体免疫反应的淋巴细胞，通常起着维持自身耐受和避免免疫反应过度损伤机体的重要作用，但也参与肿瘤细胞逃避机体免疫监视和慢性感染。

?调节性T细胞最重要的分子标记是一种转录因子Foxp3，在所有调节性T细胞中均可发现有多量表现。

?调节T细胞有多种形式，但被了解的最透彻的是表达CD4、CD25及FOXP3调节T细胞（CD4+CD25+调节T细胞）。调节T细胞与辅助T细胞不同。另一类调节T细胞亚群是Treg17细胞。调节T细胞参与到成功清除入侵生物后关闭免疫反应之中，同时也防止产生自身免疫反应。

?关于肿瘤微环境（TME）

?肿瘤微环境（Tumormicroenvironment,TME）是指肿瘤细胞存在的周围微环境，包括周围的血管、免疫细胞、成纤维细胞、骨髓源性炎性细胞、各种信号分子和细胞外基质（ECM）。

肿瘤和周围环境密切相关，不断进行交互作用，肿瘤可以通过释放细胞信号分子影响其微环境环境，促进肿瘤的血管生成和诱导免疫耐受，而微环境中的免疫细胞可影响癌细胞增长和发育。

?肿瘤微环境中常见的免疫细胞特性包含以下三者：

(1)具细胞毒杀功能的自然杀手细胞、细胞毒性T细胞数量减少，抑制性表型T细胞增加；

(2)具免疫抑制功能的骨髓来源的抑制性细胞(Myeloid-derivedsuppressorcell,MDSC)及调节T细胞数量增加；

(3)巨噬细胞及嗜中性球分别由具促发炎能力的M1及N1表型，转变为具抑制免疫反应而能促进肿瘤生长的M2及N2表型。

?关于糖代谢

?糖酵解是一个快速的过程，可以将单个葡萄糖分子转化为两分子丙酮酸，获得两个ATP。

?糖酵解产生的丙酮酸会以两种方式进一步代谢，一种方式是丙酮酸转化为乳酸并从细胞中排出，另一种方式是在氧气充足的条件下，丙酮酸运输到线粒体中并被氧化成乙酰辅酶A进入三羧酸（TCA）循环和驱动氧化磷酸化。

?尽管OxPhos能量效率较高，但许多高度增殖的细胞类型如癌细胞都优先利用糖酵解，最早由OttoWarburg教授发现。

?Warburg提出肿瘤发生是由线粒体功能缺陷导致对糖酵解的依赖增加而诱导的。但后来被证明不是由于氧化磷酸化缺陷引起的，而是细胞对新的生物量如磷脂、核苷酸和氨基酸的需要所驱动。

?调节性T（Treg）细胞对维持免疫内稳态至关重要，同时也是肿瘤免疫的主要障碍，因为肿瘤微环境（TME）促进Treg细胞的募集、分化和活性。

?肿瘤细胞代谢调控失调，导致代谢产物耗尽、缺氧和酸性TME，使浸润效应T细胞与肿瘤竞争代谢产物，损害T细胞功能。

?很大一部分患者对免疫疗法没有反应，原因可能是免疫系统与肿瘤微环境的相互作用具体。

?研究团队先前的研究发现Treg细胞具有与效应T细胞不同的代谢特征。先前发现效应T细胞功能降低与肿瘤细胞代谢增加有关。

?科研假设?

TME的代谢变化与肿瘤内Treg细胞抑制活性的增加有关。

?研究路线?

?研究结果?

1、Treg能够在葡萄糖限制的条件下存活

?通过检测从Foxp3报告小鼠肿瘤中分离的Treg细胞的抑制活性，发现肿瘤细胞的糖酵解能力与肿瘤内Treg细胞的抑制功能相关。Treg细胞在肿瘤中富集且增殖增加。

?进一步发现，与传统T细胞（Tconv）相比，Treg细胞在刺激活化后诱导的糖酵解减少，对葡萄糖的摄取减少。此外，小鼠不同组织中的Treg细胞对于葡萄糖的摄取存在异质性的，当存在肿瘤或者炎症时其对葡萄糖的摄取能力显著降低，但传统T细胞却没有这一特征。

2、葡萄糖摄取预测Treg细胞的功能

?研究人员分别纯化了低和高葡萄糖亲和力的Treg亚群（2NBDGlowTregcellsand2NBDGhiTregcells），发现与2NBDGlow亚群相比，2NBDGhi亚群的抑制功能显著降低，表明对葡萄糖的摄取高预示着Treg细胞抑制性功能弱。

?进一步的测序分析表明对葡萄糖摄取高的Treg细胞（2NBDGhiTregcells）表达的Treg特征基因如Foxp3、Ikaf2、CD25以及Nrp1减少，这说明尽管葡萄糖摄入高的Treg细胞仍然表达Foxp3+，但它们具有“较弱”的Treg特征。

?体外的短期再刺激实验结果显示尽管2NBDGhi亚群的抑制功能较弱，但其能产生大量IL-10。体内通过T细胞转移性肠炎模型进一步证明2NBDGlow亚群的抑制能力更强（图d-f），表明对葡萄糖的亲和力与Treg细胞抑制能力相关,并且暴露于高葡萄糖的Treg细胞抑制功能会受损。与此同时，2NBDGlow亚群富集到更多的糖酵解终端步骤酶类的表达，包括乳酸脱氢酶和MCT1。

3、Treg能够代谢乳酸

?在肿瘤微环境中乳酸高度富集，且抑制Tconv功能，但研究人员发现乳酸并不会抑制Treg细胞的增殖和功能。通过测定细胞内pH变化发现Treg细胞而非传统T细胞可以摄取乳酸，且不同来源Treg对乳酸的摄取存在异质性。

?与对葡萄糖摄入低的Treg相比，对葡萄糖摄入高的Treg摄取的乳酸显著减少。

?流式分析显示能够摄取乳酸的Treg细胞表达更高水平的CD44和Nrp1，说明其抑制功能较强。对Treg细胞的代谢流进行分析，发现Treg细胞能够将摄取的乳酸转换为丙酮酸最终参与TCA循环，还可将乳酸衍生的碳提供给磷酸烯醇丙酮酸PEP，而PEP可提供上游糖酵解中间产物促进细胞增殖，这些结果表明乳酸可以作为糖原异生的燃料来源，从而降低Treg细胞对葡萄糖的需求。

?PEPCK抑制剂3MP的处理，可显著降低Treg细胞增殖能力，但不影响其抑制功能。

4、乳酸支持瘤内的Treg

?研究人员构建了Treg细胞特异性敲除单羧酸盐转运蛋白MCT1的小鼠。敲除MCT后Treg细胞对乳酸的摄取减少，但不影响Treg细胞增殖和功能。

?在接种B16后，敲除小鼠肿瘤生长显著减慢，生存期明显延长且肿瘤中浸润CD8+T细胞增殖能力以及产生IFN-γ能力更高，对瘤内Treg增殖能力降低，抑制能力减弱，说明敲除MCT1后Treg细胞抑制能力减弱,且敲除后的Treg细胞对葡萄糖摄入更高。这些预示着Treg细胞在肿瘤组织中的免疫抑制功能与其对乳酸的摄取能力密切相关，并且Treg细胞中乳酸摄取的减少能产生有利于免疫疗法的环境。因此，研究人员在Treg敲除MCT1的同时给予抗PD-1抗体治疗，发现其能够极大的增强抗体的治疗效果。

?研究点评?

?研究优点：

?环环相扣，从瘤内Teff细胞出发，衍生出本文的科学问题，首次发现Treg对乳酸的代谢功能，并阐明机制；

?T调节基因葡萄糖消耗在组织间和T调节基因群体内是异质的；

?研究人员提出存在一个葡萄糖-乳酸轴，以根据营养状况对Treg细胞的功能进行调节。直接靶向乳酸代谢，或者抑制肿瘤酸度，能够打破Treg细胞对于肿瘤免疫的抑制，从而与肿瘤免疫疗法起到协同作用。

?乳酸通常被认为是糖酵解代谢的废物，但它是细胞功能的重要代谢物，可能是燃料来源。本文表明，T调节细胞不需要乳酸来维持生存，但具有代谢灵活性，可以利用这种碳源作为燃料和保护其高抑制能力免受葡萄糖负面影响的手段。

?为提高肿瘤免疫疗法控制率、实现肿瘤精准治疗提供重要的理论基础以及把经典的酸性肿瘤微环境中T细胞存活以及肿瘤与T细胞相互作用提供参考。

?研究不足：

?短期内抗原刺激后高葡萄糖摄入的Treg抑制功能迅速恢复，分泌更多IL-10的机制未能展开解释；

?TME与多个组织来源的Treg的对比是否应该替换为多种瘤种之间对比？

?研究启发：

?为TME的代谢提供了教科书般的示范，实验设计值得学习，比如纯化葡萄糖摄取高低的细胞进行测序比较。