線粒體對(duì)腫瘤微環(huán)境中腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞代謝的影響

線粒體對(duì)腫瘤微環(huán)境中腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞代謝的影響田靜，佘威，胡雪寧，王爽，崔瑩，林冬靜

(吉林醫(yī)藥學(xué)院：a.臨床醫(yī)學(xué)院,b.腫瘤靶向治療與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林吉林132022)

2022年，世界衛(wèi)生組織國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)發(fā)布全球最新癌癥負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)，我國(guó)癌癥負(fù)擔(dān)新發(fā)人數(shù)占全球23.7%[1]，遠(yuǎn)超其他國(guó)家，綜合干預(yù)和靶向治療仍是癌癥研究的重點(diǎn)。

在腫瘤微環(huán)境(tumourmicroenvironment，TME)中，細(xì)胞代謝是維持活力和功能的關(guān)鍵因素，可作為腫瘤靶向治療的重要方向。腫瘤細(xì)胞強(qiáng)烈依賴(lài)葡萄糖酵解途徑獲取能量。在代謝過(guò)程中，大量的氧化中間產(chǎn)物的積累導(dǎo)致戊糖磷酸活性升高，同時(shí)核糖五磷酸的產(chǎn)量大幅度提升，從而加速癌細(xì)胞的分裂。癌細(xì)胞快速生長(zhǎng)消耗大量活性氧(reactiveoxygenspecies，ROS)，使大量乳酸堆積，它有能力在這種低氧、酸性微環(huán)境中生長(zhǎng)，可能耗盡周?chē)罅拷?rùn)免疫細(xì)胞所需要的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，抑制免疫檢查點(diǎn)對(duì)癌細(xì)胞的破壞[2]。在研究肺腺癌組織標(biāo)本時(shí)，發(fā)現(xiàn)了腫瘤微環(huán)境中腫瘤細(xì)胞與免疫細(xì)胞相互調(diào)節(jié)機(jī)制[3]。

線粒體代謝為細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)核心，如氧化磷酸化、三羧酸循環(huán)及氨基酸代謝等代謝過(guò)程都位于線粒體內(nèi)。線粒體ROS家族的產(chǎn)生和氧化還原反應(yīng)再平衡，對(duì)癌細(xì)胞增殖和侵襲起著刺激作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，代謝能力與免疫水平呈正相關(guān)，T細(xì)胞的持久性隨著線粒體生物量和備用呼吸能力的增加而增加，二者的增加為防止癌細(xì)胞的復(fù)發(fā)和根除癌細(xì)胞提供了必要的生物能量?jī)?yōu)勢(shì)[4]。

本綜述旨在討論線粒體變化對(duì)TME中腫瘤細(xì)胞與免疫細(xì)胞代謝的影響，進(jìn)而分析腫瘤細(xì)胞代謝重編程和抗腫瘤免疫反應(yīng)的聯(lián)系，前者如何調(diào)節(jié)后者將為抗腫瘤免疫治療中以線粒體為目標(biāo)靶點(diǎn)研究提供參考。

1TME中腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞代謝主要特征

TME是指腫瘤發(fā)生、生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移與腫瘤細(xì)胞所在的復(fù)雜的內(nèi)外環(huán)境，包含多種細(xì)胞和其他成分。腫瘤細(xì)胞利用葡萄糖酵解成乳酸，也被視為“代謝的重新編程”，擁有六大特性[5]：葡萄糖和氨基酸的攝取、失常；養(yǎng)分獲得路徑的投機(jī)性；利用糖酵解中間路徑所形成的產(chǎn)物合成蛋白質(zhì)、核酸及脂類(lèi)；氮源供給增加；代謝產(chǎn)物啟動(dòng)基因表達(dá)失控；代謝產(chǎn)物與TME相互效用。

腫瘤細(xì)胞代謝異常突出體現(xiàn)為葡萄糖代謝的異常，尤其是三個(gè)與糖酵解關(guān)鍵酶(己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶)活性加強(qiáng)與同工酶譜的變更、糖異生關(guān)鍵酶活力下降有關(guān)。糖酵解許多中間路徑所形成產(chǎn)物被腫瘤細(xì)胞應(yīng)用，導(dǎo)致生成蛋白質(zhì)、核酸和脂類(lèi)增加，進(jìn)而加速了腫瘤細(xì)胞的增進(jìn)。另外，谷氨酰胺是人體血漿中含量最豐富的氨基酸，為嘌呤、嘧啶核苷酸的合成提供氮源，參與核苷酸生物合成，是谷胱甘肽合成必不可少的原料，參與維持ROS穩(wěn)定。腫瘤細(xì)胞中谷氨酰胺的攝取和分解代謝顯著增強(qiáng)，存在“谷氨酰胺依賴(lài)”現(xiàn)象[6]。

TME內(nèi)有免疫激活細(xì)胞群和炎性細(xì)胞群，還有免疫抑制細(xì)胞群(表1)[5]。這些細(xì)胞可以通過(guò)分泌細(xì)胞因子和擾亂代謝，抑制或消除抗腫瘤效應(yīng)細(xì)胞的功能(圖1)[5]。

圖1TME中的癌細(xì)胞和免疫抑制代謝

表1TME中的免疫細(xì)胞類(lèi)型、功能及代謝

TME中腫瘤和基質(zhì)細(xì)胞乳酸分泌的增加，加快了腫瘤細(xì)胞的增進(jìn)，調(diào)整了調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatoryTcell，Treg)免疫機(jī)制，進(jìn)而促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞隱匿免疫抑制。免疫細(xì)胞在增長(zhǎng)、分化、執(zhí)行效應(yīng)器功能中會(huì)發(fā)生代謝的重新編程，對(duì)免疫應(yīng)答起決定性效用[6-7]。腫瘤細(xì)胞通過(guò)排放代謝的產(chǎn)物(乳酸、PGE2、精氨酸等)影響免疫分子，比如細(xì)胞外囊泡向免疫細(xì)胞遠(yuǎn)距離釋放精氨酸1，進(jìn)而影響精氨酸代謝，從而達(dá)到降低機(jī)體抗腫瘤免疫反應(yīng)的作用[8]。腫瘤細(xì)胞、Treg細(xì)胞通過(guò)強(qiáng)化免疫細(xì)胞磷脂酶A2-IVA表達(dá)，指引免疫細(xì)胞脂質(zhì)代謝的重新編程與老化，從而減少了對(duì)腫瘤細(xì)胞的阻抑，減低抗腫瘤免疫應(yīng)對(duì)[9]。

2線粒體對(duì)腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞代謝的影響

在腫瘤發(fā)生進(jìn)展過(guò)程中，糖代謝、脂肪酸代謝及氨基酸代謝異常[10]。同時(shí)，線粒體代謝性產(chǎn)物也對(duì)免疫細(xì)胞的代謝產(chǎn)生影響(圖2)[5]。腫瘤細(xì)胞中異常水平的ROS會(huì)破壞線粒體DNA(mitochondrialDNA，mtDNA)，進(jìn)而影響線粒體膜呼吸鏈與生產(chǎn)腺苷三磷酸酶系統(tǒng)的正常進(jìn)行，ROS水平的急劇上升導(dǎo)致線粒體功能加速被破壞，從而導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞通過(guò)糖酵解途徑獲取腺苷三磷酸(ATP)，發(fā)生代謝重編程[11]。

圖2TME中不同類(lèi)型免疫細(xì)胞線粒體代謝特征

2.1線粒體代謝改變

2.1.1糖代謝

腫瘤細(xì)胞特有的代謝產(chǎn)物為其蛋白質(zhì)、核酸、脂類(lèi)的合成與代謝提供原料，進(jìn)而促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞存活，如糖酵解中間產(chǎn)物3-磷酸甘油和丙酮酸可用于合成非必需氨基酸[12]。另外，腫瘤細(xì)胞通過(guò)糖酵解會(huì)產(chǎn)生大量的乳酸，被釋放到細(xì)胞外后，形成了有利于侵襲性高的腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖的局部酸性微環(huán)境，還可通過(guò)抑制腫瘤免疫來(lái)達(dá)到促進(jìn)腫瘤發(fā)展的目的[13]。有學(xué)者以小鼠為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)抗腫瘤CD8+T細(xì)胞的效應(yīng)表達(dá)與葡萄糖的可獲得性成正比，而抗腫瘤CD4+T細(xì)胞的葡萄糖攝取和功能表達(dá)與腫瘤細(xì)胞的糖酵解活性成反比[14]。

2.1.2脂肪酸代謝

早在胚胎發(fā)育時(shí)脂肪酸的從頭合成就很活躍，但大部分正常細(xì)胞會(huì)選擇優(yōu)先利用外源的脂肪酸合成功能性脂類(lèi)。與之不同的是，外源脂肪酸的水平無(wú)論高低都不會(huì)影響腫瘤細(xì)胞進(jìn)行大量?jī)?nèi)源性脂肪酸的合成。檸檬酸裂解酶促進(jìn)線粒體中檸檬酸轉(zhuǎn)化成細(xì)胞基質(zhì)中的乙酰輔酶A，從而促進(jìn)脂肪生成，來(lái)維持腫瘤的生長(zhǎng)。腫瘤細(xì)胞中脂肪酸從頭合成增強(qiáng)通過(guò)誘導(dǎo)內(nèi)源性ATP檸檬酸裂合酶活性，促進(jìn)了B細(xì)胞增殖、分化和抗體的分泌[15]。

2.1.3氨基酸代謝

谷氨酰胺是血漿中最多的氨基酸，其代謝是否活躍直接決定了腫瘤細(xì)胞氨基酸代謝。在線粒體功能障礙或缺氧甚至無(wú)氧的條件下，腫瘤細(xì)胞對(duì)谷氨酰胺的吸收與代謝異?；钴S，大概是其他氨基酸的10倍，生成α-酮戊二酸，為嘌呤、嘧啶和DNA的合成提供氮，為脂質(zhì)合成和腫瘤細(xì)胞快速增殖提供原料[16]。此外谷氨酰胺也被免疫細(xì)胞充分利用，特別是支持淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的免疫反應(yīng)。谷氨酰胺的缺乏可使T細(xì)胞的增殖和細(xì)胞因子的產(chǎn)生受到抑制[17]，這也暗示了腫瘤微環(huán)境中高氨基酸含量可增強(qiáng)免疫細(xì)胞的殺傷作用。

2.2線粒體結(jié)構(gòu)異常

2.2.1mtDNA的突變

線粒體基因組是一個(gè)小的環(huán)狀DNA分子，在每個(gè)線粒體的基質(zhì)中mtDNA復(fù)制與細(xì)胞周期無(wú)關(guān)，可以多次進(jìn)行。由于沒(méi)有核膜包被暴露在基質(zhì)中，缺乏保護(hù)的同時(shí)線粒體中缺乏DNA修復(fù)系統(tǒng)，所以mtDNA與核基因相比來(lái)說(shuō)發(fā)生突變的概率更大，受損后序列發(fā)生改變，造成編碼蛋白構(gòu)象改變，線粒體功能發(fā)生障礙。對(duì)腫瘤mtDNA的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，在結(jié)腸癌、乳腺癌、肝癌、肺癌等多種腫瘤中均有mtDNA突變發(fā)生，其中mtDNA拷貝數(shù)的變化與腫瘤類(lèi)型有關(guān)，小細(xì)胞肺癌mtDNA突變引起了能量代謝改變[18]。

2.2.2線粒體膜穩(wěn)定性

線粒體膜穩(wěn)定性對(duì)細(xì)胞凋亡以及腫瘤的發(fā)生發(fā)展有著較大影響。線粒體外膜上有Bcl-2蛋白和電壓依賴(lài)性陰離子通道(voltage-dependentanionchannel,VDAC)蛋白，前者是從濾泡B細(xì)胞瘤中獲得的第一個(gè)抗凋亡蛋白，后者主要負(fù)責(zé)線粒體和細(xì)胞質(zhì)之間代謝物質(zhì)流通。研究發(fā)現(xiàn)Bcl-2家族蛋白可通過(guò)維持VDAC的開(kāi)放狀態(tài)來(lái)影響線粒體外膜的穩(wěn)定性，從而抑制凋亡的發(fā)生[19]。線粒體的形態(tài)控制著T細(xì)胞的代謝，并可通過(guò)增強(qiáng)T細(xì)胞識(shí)別從而破壞腫瘤細(xì)胞。激活的效應(yīng)T細(xì)胞擁有分裂的線粒體，而記憶T細(xì)胞維持它們的線粒體為融合網(wǎng)狀物[20]。這證實(shí)了線粒體結(jié)構(gòu)對(duì)調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞新陳代謝至關(guān)重要。

2.2.3線粒體ROS紊亂

ROS以超氧化物和羥基自由基以及過(guò)氧化氫的形式，在生理狀態(tài)下由物質(zhì)代謝反應(yīng)產(chǎn)生。各個(gè)氧化代謝中的ROS可通過(guò)氧化丙酮酸激酶M2來(lái)驅(qū)動(dòng)戊糖途徑的通量，增加谷胱甘肽的水平，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞發(fā)生發(fā)展。細(xì)胞ROS產(chǎn)生的主要位點(diǎn)是線粒體復(fù)合物Ⅰ和Ⅲ，與此同時(shí)，線粒體也是其損傷位點(diǎn)之一。例如，它們攻擊線粒體膜和靠近它們形成地方的mtDNA，這導(dǎo)致線粒體功能障礙和更多的ROS產(chǎn)生。Maillet等發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌動(dòng)物模型中，能夠通過(guò)ROS依賴(lài)途徑，引起線粒體形態(tài)和功能的一系列改變，從而觸發(fā)腫瘤細(xì)胞凋亡，抑制腫瘤生長(zhǎng)[21]。

2.2.4線粒體鈣離子紊亂

線粒體中含有大量的Ca2+，并且控制細(xì)胞內(nèi)鈣離子的吸收和攝取。線粒體Ca2+信號(hào)與細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝密切相關(guān)，通過(guò)激活TCA循環(huán)的多種成分(IDH、aKGDH和PDH)構(gòu)成存活前機(jī)制，從而為電子傳遞鏈和ATP產(chǎn)生提供能量[22]。減少線粒體Ca2+轉(zhuǎn)移可以使瘤細(xì)胞避免凋亡，但線粒體Ca2+攝取的減少仍然能夠激活TCA循環(huán)，使供給電子傳遞鏈的減少當(dāng)量的產(chǎn)生變得平滑，并維持足夠的ATP以滿(mǎn)足細(xì)胞需求[23]。乳腺癌、結(jié)腸癌、胃癌細(xì)胞中InsP3R表達(dá)顯著增多，導(dǎo)致線粒體Ca2+超載，腫瘤細(xì)胞代謝紊亂，抑制了細(xì)胞凋亡的發(fā)生，促進(jìn)了腫瘤的增殖和存活[24]。但線粒體鈣穩(wěn)態(tài)失衡影響腫瘤發(fā)生發(fā)展的具體作用機(jī)制目前仍不清楚。

3靶向腫瘤線粒體是干預(yù)熱點(diǎn)

線粒體是細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”，作為很多藥物或毒物靶細(xì)胞器，可以有效提高藥物的治療效果。科學(xué)家進(jìn)一步探究以線粒體為靶點(diǎn)的藥物與抗腫瘤之間的作用機(jī)制。目前已有一些靶向線粒體代謝的抗腫瘤藥物在臨床或臨床前開(kāi)發(fā)中，如WZB117和紫杉醇或順鉑聯(lián)合治療可以發(fā)揮協(xié)同抗腫瘤作用。這類(lèi)藥物的作用機(jī)理是阻斷葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，通過(guò)阻斷葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1活性，減少細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)效率，降低腫瘤內(nèi)糖酵解的代謝[25]，進(jìn)而逆轉(zhuǎn)腫瘤細(xì)胞的高糖酵解狀態(tài)，阻止腫瘤細(xì)胞攝取葡萄糖。某些腫瘤細(xì)胞鈉-葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體2(sodiumglucosetransporter2，SGLT2)水平明顯增高，采用FDA批準(zhǔn)的小分子抑制劑靶向SGLT2降低血糖水平，可以降低肺腺癌小鼠模型腫瘤的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)生存時(shí)間[26]。另一種藥物是P-糖蛋白，它是一種具有ATP結(jié)合域的單向轉(zhuǎn)運(yùn)跨膜蛋白[27]，這個(gè)藥物主要通過(guò)水熱合成法、薄膜分散法構(gòu)建了線粒體靶向，應(yīng)用ATP水解釋放能量將藥物主動(dòng)排出，進(jìn)而避免了細(xì)胞內(nèi)藥物濃度過(guò)高，解決了腫瘤細(xì)胞的耐藥性。這一系列研究表明靶向腫瘤線粒體可以有效地提高藥物對(duì)腫瘤細(xì)胞的毒性以及改善藥物的活性，同時(shí)靶向腫瘤線粒體可以有效地克服藥物的耐藥性。

4總結(jié)與展望

腫瘤細(xì)胞可通過(guò)物質(zhì)代謝抑制機(jī)體抗腫瘤免疫反應(yīng)；而小分子抑制劑可促進(jìn)T細(xì)胞增殖，減輕髓樣細(xì)胞介導(dǎo)的免疫逃逸，抑制腫瘤生長(zhǎng)。在探究腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞的相互作用時(shí)，線粒體靶向治療的研究與發(fā)現(xiàn)無(wú)疑是這場(chǎng)腫瘤生態(tài)系統(tǒng)中代謝競(jìng)爭(zhēng)的“關(guān)鍵一物”。研究線粒體