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免疫逃逸是腫瘤的特征之一，實體腫瘤中的免疫抑制性腫瘤微環(huán)境(TME)會損傷免疫細胞的功能。其中，TME引發(fā)的NK功能損傷在腫瘤發(fā)展過程中起著至關(guān)重要作用。NK細胞功能損傷會促進腫瘤的發(fā)生和發(fā)展，其損傷程度與許多癌癥患者的預(yù)后密切相關(guān)。然而，TME中NK細胞功能損傷的基本機制仍然不清楚。 2021年4月13日，加拿大麥克馬斯特大學(xué)的Ali A. Ashkar團隊在Cell Metabolism上發(fā)表了題為《Metabolic flexibility determines human NK cell functional fate in the tumor microenvironment》的文章，發(fā)現(xiàn)TME中NK細胞代謝重編程能力差，不能產(chǎn)生抵抗氧化應(yīng)激的代謝物，導(dǎo)致其細胞毒性受損；抑制氧化應(yīng)激能逆轉(zhuǎn)NK的細胞毒性；STAT3信號激活的增殖NK（exNK）代謝重編程能力強，在抑制性腫瘤微環(huán)境中具有更強的細胞毒性。該研究發(fā)現(xiàn)了TME中NK功能損傷的新機制，并為NK細胞治療實體瘤提供了新的證據(jù)和思路。  患者腫瘤中的NK細胞功能失調(diào) 伴隨糖代謝受損 和外周血NK（pbNK）相比，卵巢癌TME中分離的腫瘤NK細胞（taNK）對人卵巢癌細胞的細胞毒性變?nèi)酢Ｃ庖呷毕莺闪鲂∈蟮腘K細胞移植實驗也表明taNK抑制腫瘤細胞定殖和生長的能力變?nèi)酢?/span> NK的抗腫瘤功能活化有賴于葡萄糖代謝。與pbNK細胞相比，taNK糖酵解水平顯著降低，細胞表面的葡萄糖轉(zhuǎn)運體Glut1表達水平顯著降低，氧化磷酸化水平、ATP合成水平下降，線粒體數(shù)目下降。 以上結(jié)果表明，腫瘤患者taNK的細胞毒性功能損傷可能和葡萄糖代謝損傷有關(guān)。  患者TME直接損傷pbNK葡萄糖代謝 并抑制其細胞毒性 TME是否直接參與NK活性抑制呢？作者用惡性腫瘤病人的腹水（ascTME）模擬腫瘤微環(huán)境，發(fā)現(xiàn)ascTME培養(yǎng)的pbNK的基礎(chǔ)糖酵解、糖酵解能力和糖酵解儲備顯著降低，其代謝和線粒體功能也發(fā)生損傷。 CD98通過調(diào)控Glut1和CD71轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的轉(zhuǎn)錄來促進NK生長。ascTME刺激后，pbNK細胞表面的CD98、Glut1和CD71表達顯著降低，細胞體積減小。同時，ascTME顯著抑制了pbNK對癌細胞的毒性和抗腫瘤細胞因子IFN-γ的表達。小鼠荷瘤實驗顯示，與taNK細胞相似，ascTME培養(yǎng)的pbNK喪失了抑制腫瘤細胞定殖和生長的能力。pbNK的細胞毒性、糖酵解和氧化磷酸化的抑制在aseTME培養(yǎng)后12h發(fā)生并可以持續(xù)3天以上。 NK細胞功能受損是由代謝損傷引起的嗎？作者發(fā)現(xiàn)，和ascTME一樣，ATP合成酶抑制劑寡霉素也能抑制pbNK的細胞毒性和脫顆粒作用。 以上結(jié)果提示：人TME通過直接損害NK細胞代謝抑制其抗腫瘤活性。  NK細胞可以被重編程以強化其功能 STAT3信號可以驅(qū)動腫瘤細胞Warburg代謝重編程，增強腫瘤細胞對TME的適應(yīng)性。作者之前報道，通過IL-21激活STAT3信號通路可以促進NK增殖、抗衰老和細胞毒性。那么STAT3激活的增殖NK（STAT3-exNK）是否能和腫瘤細胞一樣通過代謝重編程來適應(yīng)TME呢？ 作者比較了exNK細胞和pbNK細胞的代謝狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)exNK細胞的糖酵解基底和最高水平明顯升高。pbNK細胞比exNK細胞更依賴于氧化磷酸化。exNK的CD98、CD71、Glut1表達的水平明顯高于pbNK細胞。 為了進一步研究exNK代謝的分子機制，作者分析了exNK和pbNK的代謝譜，發(fā)現(xiàn)差異蛋白主要富集在代謝相關(guān)通路。與pbNK相比，exNK的代謝變化類似于腫瘤細胞：exNK中參與腫瘤代謝和生物合成的通路的蛋白顯著上調(diào)，而參與氧化代謝通路的蛋白則顯著下調(diào)。 以上結(jié)果表明，STAT3-exNK細胞模仿了腫瘤細胞代謝特征，尤其是Warburg效應(yīng)。  TME中的exNK的細胞毒性是否得到了增強？用ascTME分別培養(yǎng)pbNK或exNK，和正常培養(yǎng)基相比，pbNK細胞顆粒度和細胞毒性降低，exNK的顆粒度和細胞毒性增強。雖然ascTME培養(yǎng)降低了exNK和pbNK的IFN-γ表達水平，但是pbNK下調(diào)更顯著。值得注意的是，人血漿或正常培養(yǎng)基培養(yǎng)的exNK細胞的細胞毒性和顆粒度相似，這表明exNK的細胞毒性增強是由ascTME引起的。 動物實驗進一步驗證了該結(jié)果。和正常培養(yǎng)基相比，ascTME處理的exNK降低腫瘤負荷的效果更顯著。此外，作者發(fā)現(xiàn)，和正常培養(yǎng)基相比，exNK的細胞毒性在ascTME處理后的5天內(nèi)持續(xù)增加。這提示長時間暴露于惡性TME時exNK功能得到強化。 exNK細胞為何能在TME維持殺傷能力呢？作者發(fā)現(xiàn)，與pbNK不同，在ascTME中exNK仍能維持營養(yǎng)攝取能力、線粒體質(zhì)量、糖酵解速率、氧化代謝速率、細胞大小。  激活Nrf2抗氧化通路可以恢復(fù) TME抑制的NK細胞代謝和抗腫瘤活性 為了闡明TME抑制NK細胞活性的分子機制，作者分析了ascTME或正常培養(yǎng)的pbNK細胞和exNK細胞的蛋白譜。 ascTME培養(yǎng)的pbNK細胞與exNK細胞的蛋白表達譜幾乎是相反的。ascTME中的pbNK高表達的蛋白參與脂質(zhì)過氧化、氧化損傷、肥大癥以及衰老和自噬途徑，參與DNA修復(fù)和損傷反應(yīng)通路的蛋白質(zhì)表達下調(diào)。以上結(jié)果表明，pbNK中氧化應(yīng)激介導(dǎo)的DNA損傷的修復(fù)能力受損。而exNK中參與脂質(zhì)過氧化和氧化損傷途徑中的蛋白表達下調(diào)，參與DNA修復(fù)的蛋白的表達上調(diào)。這些結(jié)果表明，exNK細胞能抵抗TME誘發(fā)氧化應(yīng)激。 那么，靶向氧化應(yīng)激是否可以恢復(fù)TME中的NK細胞代謝和功能呢？Nrf2轉(zhuǎn)錄因子是抗氧化的核心轉(zhuǎn)錄因子。Nrf2激動劑RTA-408在體外ascTME中可顯著恢復(fù)pbNK的腫瘤殺傷能力、糖酵解、氧化磷酸化，對正常培養(yǎng)基中的pbNK卻沒用影響。荷瘤小鼠實驗進一步證明了RTA-408和pbNK的聯(lián)合使用比RTA-408或pbNK單獨使用有更好的療效。 這些結(jié)果表明，氧化應(yīng)激損傷是TME誘導(dǎo)NK細胞葡萄糖代謝、線粒體功能以及細胞毒性損傷的關(guān)鍵機制。  代謝靈活性使exNK細胞在營養(yǎng) 缺乏TME中增強抗腫瘤活性 TME是如何抑制pbNK殺傷能力卻增強exNK殺傷能力的？ 腫瘤細胞通過一碳和葉酸循環(huán)上調(diào)絲氨酸代謝合成內(nèi)源性底物，進而將底物合成谷胱甘肽來抵抗氧化應(yīng)激以適應(yīng)TME。與pbNK細胞相比，exNK細胞中參與絲氨酸合成、一碳和葉酸代謝以及核苷酸合成途徑的蛋白質(zhì)表達增加。ascTME培養(yǎng)的exNK細胞中參與谷胱甘肽抗氧化的酶顯著上調(diào)。這表明exNK細胞通過模仿了腫瘤細胞的代謝重編程來抵抗氧化應(yīng)激。 為了直接評估exNK與pbNK的代謝可塑性，作者測量了pbNK和exNK通過氧化葡萄糖、谷氨酰胺或脂肪酸的滿足自身能量需求的能力，發(fā)現(xiàn)pbNK表現(xiàn)出對葡萄糖和脂肪酸氧化的依賴性，但exNK卻不依賴任何一種底物。此外，底物適應(yīng)性評估結(jié)果表明，pbNK不能使用任何一種單一底物來補償其他代謝途徑，相反，exNK表現(xiàn)出使用任何一種底物來滿足其全部能量需求的適應(yīng)性。體外ascTME培養(yǎng)實驗進一步表明，多種代謝抑制劑均不影響exNK的細胞毒性。以上結(jié)果表明，exNK細胞有良好的代謝靈活性和適應(yīng)性，使其能夠適應(yīng)免疫抑制性TME。 作者進一步設(shè)計實驗?zāi)M腫瘤低營養(yǎng)微環(huán)境對exNK的影響。作者分別用無葡萄糖培養(yǎng)基或無谷氨酰胺的培養(yǎng)基培養(yǎng)exNK細胞，并在24h和5天后評估細胞毒性。與ascTME中觀察到現(xiàn)象相似，在前24h內(nèi)exNK細胞的細胞毒性沒有顯著變化，但是在5天后，營養(yǎng)缺乏的培養(yǎng)基中exNK的細胞毒性顯著增強。與它們在TME中的代謝適應(yīng)性相一致。在營養(yǎng)缺乏的培養(yǎng)基中，exNK細胞在5天后維持了相當水平的糖酵解和氧化磷酸化水平。 這些結(jié)果表明，NK細胞對代謝物的靈活利用能夠使其完全適應(yīng)TME以維持細胞增殖和功能，長期暴露于代謝應(yīng)激TME會進一步強化代謝適應(yīng)性NK細胞的細胞毒性。  總 結(jié) NK細胞具有廣譜的腫瘤細胞殺傷作用，在腫瘤細胞治療領(lǐng)域備受關(guān)注。本文發(fā)現(xiàn)pbNK進入腫瘤微環(huán)境后，由于代謝重編程能力差不能抵抗TME引起的氧化應(yīng)激，最終發(fā)生功能損傷；通過激活氧化應(yīng)激能恢復(fù)NK的細胞毒性；STAT3激活的增殖NK能像腫瘤細胞一樣進行代謝重編程，靈活使用代謝物來抵抗氧化應(yīng)激，反而在TME中增強細胞毒性。本文揭示TME中NK細胞功能受抑制的代謝性機制，為NK細胞治療提供了新思路。 文/阿司匹林 SHK 責(zé)編/Jane 原文鏈接： https://www./cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(21)00130-3 |
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