腫瘤細(xì)胞由于特殊的物質(zhì)與能量需求,會采用與正常細(xì)胞完全不同的代謝方式，而這一過程就是我們熟知的Warburg effect。即腫瘤細(xì)胞除了通過有氧糖酵解途徑代謝葡萄糖之外，還會大量吸收谷氨酰胺為合成生物大分子提供必需的碳源和氮源。長久以來，腫瘤細(xì)胞的這一代謝特征一直被認(rèn)為也適應(yīng)于其他快速增殖細(xì)胞，比如T細(xì)胞的活化與增殖 【1】 。而腫瘤細(xì)胞這種特異性的代謝方式除了滿足其自身的物質(zhì)和能量需求之外，還會創(chuàng)造出一個低氧、酸性、營養(yǎng)缺乏的腫瘤微環(huán)境，不利于免疫細(xì)胞的存活，從而抵御抗腫瘤免疫反應(yīng) 【2】 。因此，一個重要的問題是，免疫細(xì)胞能否根據(jù)腫瘤細(xì)胞這一代謝特征而采取有效的應(yīng)對措施？
2019年11月8日，來自約翰霍普金斯醫(yī)學(xué)院的Jonathan D. Powell研究團(tuán)隊在Science 上發(fā)表了題為 Glutamine blockade induces divergent metabolic programs to overcome tumor immune evasion 的研究， 揭示了腫瘤細(xì)胞與效應(yīng)T細(xì)胞在阻斷谷氨酰胺代謝之后完全不同的代謝特征 。他們發(fā)現(xiàn)， T細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞相比具有更強(qiáng)的代謝可塑性，并在拮抗谷氨酰胺代謝之后通過代謝重編程而持續(xù)激活，從而最大程度殺傷腫瘤細(xì)胞。
基于腫瘤細(xì)胞對谷氨酰胺產(chǎn)生依賴的認(rèn)知，科學(xué)家們一直在努力嘗試通過阻斷谷氨酰胺代謝來達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞的目的。遺憾的是，人們發(fā)現(xiàn)單獨(dú)抑制其中一種谷氨酰胺酶 (glutaminase) 效果十分有限，因為腫瘤細(xì)胞早已進(jìn)化出其他旁路來“繞過”靶向治療。因此，作者考慮到一種谷氨酰胺的結(jié)構(gòu)類似物——6-Diazo-5-oxo-L-norleucine (DON) ，該小分子可以非常廣譜且有效的抑制以谷氨酰胺為底物的酶的活性。事實(shí)上，DON在前期已經(jīng)被用于臨床試驗，但是由于其毒性太大而終止于臨床II期試驗 【3】 。作者猜測，阻斷谷氨酰胺代謝除了能夠抑制腫瘤本身的生長之外，是否還能作為免疫代謝檢查點(diǎn)，激活抗腫瘤免疫？為了驗證這一猜想，作者開發(fā)了一種小分子抑制劑JHU083 (需要在腫瘤微環(huán)境中經(jīng)過酶切才能轉(zhuǎn)化為DON，從而避免DON的毒性) ，小鼠實(shí)驗表明，在接受JHU083治療之后，移植瘤增長得到顯著抑制且小鼠生存期也明顯延長。此外，用C13標(biāo)記的葡萄糖對代謝物進(jìn)行示蹤，作者發(fā)現(xiàn)JHU083處理不僅能抑制葡萄糖代謝的旁路—磷酸戊糖途徑從而抑制核苷酸的合成，而且腫瘤內(nèi)的谷氨酰胺、葡萄糖水平以及氧氣含量都有所提升，這意味著腫瘤微環(huán)境整體得到了改善。
那么，腫瘤微環(huán)境的改善是否可以增強(qiáng)免疫細(xì)胞的功能？考慮到抑制谷氨酰胺代謝也會很大程度破壞淋巴系統(tǒng)的功能，于是作者先于T細(xì)胞過繼轉(zhuǎn)移 (adoptive cell transfer，ACT ) 治療之前對荷瘤小鼠進(jìn)行給藥處理。結(jié)果表明JHU083能顯著抑制腫瘤的生產(chǎn)且延長小鼠的生存期，另外，將JHU083與PD1抗體進(jìn)行聯(lián)用其治療效果明顯優(yōu)于單獨(dú)使用PD-1抗體。更有意思的是，作者發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用JHU083就可以很大程度殺傷腫瘤細(xì)胞，并且不會像之前擔(dān)心的那樣抑制抗腫瘤免疫細(xì)胞的活性。此外，作者發(fā)現(xiàn)給單獨(dú)使用JHU083處理后的小鼠再去移植腫瘤細(xì)胞，腫瘤則完全不能生長，這提示小鼠體內(nèi)或許建立了免疫記憶。種種跡象表明，單獨(dú)抑制谷氨酰胺代謝似乎就足以激活抗腫瘤免疫反應(yīng)。
那么抑制谷氨酰胺代謝是如何來增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng)的呢？通過實(shí)驗作者發(fā)現(xiàn)，原來抑制谷氨酰胺代謝并不是像預(yù)期一樣通過改善腫瘤微環(huán)境來增強(qiáng)免疫細(xì)胞功能，而是直接可以激活CD8+ T細(xì)胞，即使沒有腫瘤存在！那么這其中具體的分子機(jī)制又是什么呢？通過代謝流分析，作者發(fā)現(xiàn)用DON去阻斷谷氨酰胺代謝會抑制腫瘤細(xì)胞的氧化磷酸化，但這一代謝途徑在T細(xì)胞中卻是升高的。通過C13標(biāo)記示蹤代謝物，作者發(fā)現(xiàn)原來T細(xì)胞在谷氨酰胺代謝被抑制之后可以利用acetate作為碳源來供給TCA循環(huán)，這與最近報道的acetate對于維持CD8+ T細(xì)胞活性十分重要的發(fā)現(xiàn)剛好是一致的 【4】 。進(jìn)一步研究則表明，腫瘤細(xì)胞與效應(yīng)T細(xì)胞在阻斷谷氨酰胺代謝之后具備完全不同的代謝特征：與腫瘤細(xì)胞相比，T細(xì)胞可以通過代謝重編程上調(diào)葡萄糖代謝來回補(bǔ)TCA循環(huán)，從而展現(xiàn)出更強(qiáng)的代謝適應(yīng)能力。
綜上， Jonathan D. Powell教授的工作不僅揭示了腫瘤細(xì)胞和T細(xì)胞在應(yīng)對谷氨酰胺代謝被抑制之后巨大的代謝差異，并且成功通過一種小分子化合物—JHU083在抑制腫瘤代謝的同時激活T細(xì)胞功能，使得機(jī)體免疫系統(tǒng)能夠最大程度地殺傷腫瘤細(xì)胞。更重要的是，他們提出了“代謝檢查點(diǎn)”的概念，這對于腫瘤免疫治療領(lǐng)域來說無疑是一個里程碑式的發(fā)現(xiàn)。
原文鏈接： https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/06/science.aav2588
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