自然杀伤细胞（natural killer cell, NK）具有抗原非限制性的肿瘤细胞杀伤功能和广谱对抗肿瘤异质性的潜力。近年来，NK细胞治疗作为肿瘤免疫治疗的新兴前沿备受关注。

免疫逃逸是肿瘤的特征之一，实体肿瘤中的免疫抑制性肿瘤微环境(TME)会损伤免疫细胞的功能。其中，TME引发的NK功能损伤在肿瘤发展过程中起着至关重要作用。NK细胞功能损伤会促进肿瘤的发生和发展，其损伤程度与许多癌症患者的预后密切相关。然而，TME中NK细胞功能损伤的基本机制仍然不清楚。

2021年4月13日，加拿大麦克马斯特大学的Ali A. Ashkar团队在Cell Metabolism上发表了题为《Metabolic flexibility determines human NK cell functional fate in the tumor microenvironment》的文章，发现TME中NK细胞代谢重编程能力差，不能产生抵抗氧化应激的代谢物，导致其细胞毒性受损；抑制氧化应激能逆转NK的细胞毒性；STAT3信号激活的增殖NK（exNK）代谢重编程能力强，在抑制性肿瘤微环境中具有更强的细胞毒性。该研究发现了TME中NK功能损伤的新机制，并为NK细胞治疗实体瘤提供了新的证据和思路。

患者肿瘤中的NK细胞功能失调伴随糖代谢受损

和外周血NK（pbNK）相比，卵巢癌TME中分离的肿瘤NK细胞（taNK）对人卵巢癌细胞的细胞毒性变弱。免疫缺陷荷瘤小鼠的NK细胞移植实验也表明taNK抑制肿瘤细胞定殖和生长的能力变弱。

NK的抗肿瘤功能活化有赖于葡萄糖代谢。与pbNK细胞相比，taNK糖酵解水平显著降低，细胞表面的葡萄糖转运体Glut1表达水平显著降低，氧化磷酸化水平、ATP合成水平下降，线粒体数目下降。

以上结果表明，肿瘤患者taNK的细胞毒性功能损伤可能和葡萄糖代谢损伤有关。

患者TME直接损伤pbNK葡萄糖代谢并抑制其细胞毒性

TME是否直接参与NK活性抑制呢？作者用恶性肿瘤病人的腹水（ascTME）模拟肿瘤微环境，发现ascTME培养的pbNK的基础糖酵解、糖酵解能力和糖酵解储备显著降低，其代谢和线粒体功能也发生损伤。

CD98通过调控Glut1和CD71转铁蛋白受体的转录来促进NK生长。ascTME刺激后，pbNK细胞表面的CD98、Glut1和CD71表达显著降低，细胞体积减小。同时，ascTME显著抑制了pbNK对癌细胞的毒性和抗肿瘤细胞因子IFN-γ的表达。小鼠荷瘤实验显示，与taNK细胞相似，ascTME培养的pbNK丧失了抑制肿瘤细胞定殖和生长的能力。pbNK的细胞毒性、糖酵解和氧化磷酸化的抑制在aseTME培养后12h发生并可以持续3天以上。

NK细胞功能受损是由代谢损伤引起的吗？作者发现，和ascTME一样，ATP合成酶抑制剂寡霉素也能抑制pbNK的细胞毒性和脱颗粒作用。

以上结果提示：人TME通过直接损害NK细胞代谢抑制其抗肿瘤活性。

NK细胞可以被重编程以强化其功能

STAT3信号可以驱动肿瘤细胞Warburg代谢重编程，增强肿瘤细胞对TME的适应性。作者之前报道，通过IL-21激活STAT3信号通路可以促进NK增殖、抗衰老和细胞毒性。那么STAT3激活的增殖NK（STAT3-exNK）是否能和肿瘤细胞一样通过代谢重编程来适应TME呢？

作者比较了exNK细胞和pbNK细胞的代谢状态，发现exNK细胞的糖酵解基底和最高水平明显升高。pbNK细胞比exNK细胞更依赖于氧化磷酸化。exNK的CD98、CD71、Glut1表达的水平明显高于pbNK细胞。

为了进一步研究exNK代谢的分子机制，作者分析了exNK和pbNK的代谢谱，发现差异蛋白主要富集在代谢相关通路。与pbNK相比，exNK的代谢变化类似于肿瘤细胞：exNK中参与肿瘤代谢和生物合成的通路的蛋白显著上调，而参与氧化代谢通路的蛋白则显著下调。

以上结果表明，STAT3-exNK细胞模仿了肿瘤细胞代谢特征，尤其是Warburg效应。

TME中的exNK的细胞毒性是否得到了增强？用ascTME分别培养pbNK或exNK，和正常培养基相比，pbNK细胞颗粒度和细胞毒性降低，exNK的颗粒度和细胞毒性增强。虽然ascTME培养降低了exNK和pbNK的IFN-γ表达水平，但是pbNK下调更显著。值得注意的是，人血浆或正常培养基培养的exNK细胞的细胞毒性和颗粒度相似，这表明exNK的细胞毒性增强是由ascTME引起的。

动物实验进一步验证了该结果。和正常培养基相比，ascTME处理的exNK降低肿瘤负荷的效果更显著。此外，作者发现，和正常培养基相比，exNK的细胞毒性在ascTME处理后的5天内持续增加。这提示长时间暴露于恶性TME时exNK功能得到强化。

exNK细胞为何能在TME维持杀伤能力呢？作者发现，与pbNK不同，在ascTME中exNK仍能维持营养摄取能力、线粒体质量、糖酵解速率、氧化代谢速率、细胞大小。

激活Nrf2抗氧化通路可以恢复TME抑制的NK细胞代谢和抗肿瘤活性

为了阐明TME抑制NK细胞活性的分子机制，作者分析了ascTME或正常培养的pbNK细胞和exNK细胞的蛋白谱。

ascTME培养的pbNK细胞与exNK细胞的蛋白表达谱几乎是相反的。ascTME中的pbNK高表达的蛋白参与脂质过氧化、氧化损伤、肥大症以及衰老和自噬途径，参与DNA修复和损伤反应通路的蛋白质表达下调。以上结果表明，pbNK中氧化应激介导的DNA损伤的修复能力受损。而exNK中参与脂质过氧化和氧化损伤途径中的蛋白表达下调，参与DNA修复的蛋白的表达上调。这些结果表明，exNK细胞能抵抗TME诱发氧化应激。

那么，靶向氧化应激是否可以恢复TME中的NK细胞代谢和功能呢？Nrf2转录因子是抗氧化的核心转录因子。Nrf2激动剂RTA-408在体外ascTME中可显著恢复pbNK的肿瘤杀伤能力、糖酵解、氧化磷酸化，对正常培养基中的pbNK却没用影响。荷瘤小鼠实验进一步证明了RTA-408和pbNK的联合使用比RTA-408或pbNK单独使用有更好的疗效。

这些结果表明，氧化应激损伤是TME诱导NK细胞葡萄糖代谢、线粒体功能以及细胞毒性损伤的关键机制。

代谢灵活性使exNK细胞在营养缺乏TME中增强抗肿瘤活性

TME是如何抑制pbNK杀伤能力却增强exNK杀伤能力的？

肿瘤细胞通过一碳和叶酸循环上调丝氨酸代谢合成内源性底物，进而将底物合成谷胱甘肽来抵抗氧化应激以适应TME。与pbNK细胞相比，exNK细胞中参与丝氨酸合成、一碳和叶酸代谢以及核苷酸合成途径的蛋白质表达增加。ascTME培养的exNK细胞中参与谷胱甘肽抗氧化的酶显著上调。这表明exNK细胞通过模仿了肿瘤细胞的代谢重编程来抵抗氧化应激。

为了直接评估exNK与pbNK的代谢可塑性，作者测量了pbNK和exNK通过氧化葡萄糖、谷氨酰胺或脂肪酸的满足自身能量需求的能力，发现pbNK表现出对葡萄糖和脂肪酸氧化的依赖性，但exNK却不依赖任何一种底物。此外，底物适应性评估结果表明，pbNK不能使用任何一种单一底物来补偿其他代谢途径，相反，exNK表现出使用任何一种底物来满足其全部能量需求的适应性。体外ascTME培养实验进一步表明，多种代谢抑制剂均不影响exNK的细胞毒性。以上结果表明，exNK细胞有良好的代谢灵活性和适应性，使其能够适应免疫抑制性TME。

作者进一步设计实验模拟肿瘤低营养微环境对exNK的影响。作者分别用无葡萄糖培养基或无谷氨酰胺的培养基培养exNK细胞，并在24h和5天后评估细胞毒性。与ascTME中观察到现象相似，在前24h内exNK细胞的细胞毒性没有显着变化，但是在5天后，营养缺乏的培养基中exNK的细胞毒性显著增强。与它们在TME中的代谢适应性相一致。在营养缺乏的培养基中，exNK细胞在5天后维持了相当水平的糖酵解和氧化磷酸化水平。

这些结果表明，NK细胞对代谢物的灵活利用能够使其完全适应TME以维持细胞增殖和功能，长期暴露于代谢应激TME会进一步强化代谢适应性NK细胞的细胞毒性。

总 结

NK细胞具有广谱的肿瘤细胞杀伤作用，在肿瘤细胞治疗领域备受关注。本文发现pbNK进入肿瘤微环境后，由于代谢重编程能力差不能抵抗TME引起的氧化应激，最终发生功能损伤；通过激活氧化应激能恢复NK的细胞毒性；STAT3激活的增殖NK能像肿瘤细胞一样进行代谢重编程，灵活使用代谢物来抵抗氧化应激，反而在TME中增强细胞毒性。本文揭示TME中NK细胞功能受抑制的代谢性机制，为NK细胞治疗提供了新思路。

文/阿司匹林 SHK

责编/Jane

原文链接：

https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(21)00130-3