从细胞代谢到整体代谢：肿瘤微环境的多维度调节机制

肿瘤是严重威胁人类健康的疾病。代谢重编程是肿瘤的特征之一，也是肿瘤治疗的重要潜在靶点。早期肿瘤代谢研究聚焦于肿瘤细胞自身的代谢调控，近年越来越多的研究发现肿瘤微环境和大环境对肿瘤细胞和肿瘤代谢具有重要影响，这些发现对于理解肿瘤行为，寻找更精准更有效的治疗方法具有重要意义。

2021年1月4日，哈佛大学医学院的Marcia C. Haigis教授等人在Nature Metabolism上发表了题为 Metabolites and the tumour microenvironment: from cellular mechanisms to systemic metabolism 肿瘤代谢综述文章。Haigis教授是国际知名代谢专家，在肿瘤代谢领域做出了很多标志性工作，例如乳腺癌细胞循环使用肿瘤微环境中的氨制造生物物质促进自身生长，肥胖使免疫功能受损从而加速肿瘤的生长等，揭示了环境影响肿瘤的多种重要机制。Nature Metabolism这篇综述文章阐述了目前领域内对肿瘤细胞与微环境之间通过代谢物相互影响、相互适应的理解，并从肿瘤细胞自身代谢、细胞间互作、肿瘤位置和异质性、全身代谢稳态这四个层面探讨了肿瘤微环境的调控机制，指出深刻理解肿瘤细胞与特定代谢（微）环境间的关系对于发现新的治疗方法、改善治疗效果具有重要意义。本文简单介绍文章要点。（原文请点击文末“阅读原文”）

肿瘤细胞自身代谢

肿瘤细胞具有因应环境调整自身代谢从而满足增殖等需要的能力。尽管代谢重构是肿瘤的重要特征，不同肿瘤之间代谢模式却经常是不同的，重要原因之一是肿瘤细胞所处微环境的不同。

1.肿瘤利用并塑造微环境中的代谢物

肿瘤细胞具有调整自身代谢来利用的微环境中的代谢物满足自身生长需求的能力。例如肿瘤细胞中强化的有氧糖酵解（Warburg效应），肿瘤细胞通过有氧糖酵解大量消耗葡萄糖排出乳酸，中间产物作为其他代谢反应的原料用来合成生物物质、维持电势和氧化还原平衡，终产物乳酸可以促进NAD+再生进而维持糖酵解。除了葡萄糖和乳酸，肿瘤细胞还能利用脂肪酸、氨基酸和蛋白质等。研究最清楚的是谷氨酰胺分解代谢（谷氨酰胺在谷氨酰胺酶GLS催化下分解成谷氨酸和氨基）。谷氨酸既能用来合成细胞增殖所需的天冬氨酸，又能回补TCA循环；代谢副产品氨在肿瘤代谢中重要功能最近得到了很多关注，氨被用来合成氨基酸，维持细胞内嘧啶库，合成DNA。

2.肿瘤的代谢适应

肿瘤细胞的生存和高速增殖高度依赖于代谢物，肿瘤细胞会根据环境中的营养组分来调节代谢方式。因此，不同培养条件下肿瘤细胞代谢状态不一致，体外培养和体内生长两种状态下肿瘤细胞的代谢状态不一致。这对研究和治疗有一定的影响。低糖条件时，无论体内还是体外，二甲双胍通过抑制氧化磷酸化降低ATP水平促进肿瘤细胞的死亡；高糖条件时，这种现象则不会出现。在RAS相关的非小细胞肺癌中，体外培养时，谷氨酰胺浓度高，细胞通过谷氨酰胺降解维持氧化磷酸化，在体内，细胞则通过葡萄糖依赖的丙酮酸脱氢酶和丙酮酸羧化酶来维持氧化磷酸化。这也是很多谷氨酰胺代谢抑制剂在体外可以抑制细胞生长而体内无效的原因。反向转运体xCT/SLC7A11介导半胱氨酸和谷氨酰胺的的跨膜运输，半胱氨酸的转入伴随着谷氨酸的分泌和谷氨酰胺的降解。在体内，半胱氨酸水平低，肿瘤细胞不依赖谷氨酰胺。

改良培养条件有助于新的科学发现。血浆样培养基帮助科学家们发现了体内其他的碳源和氮源。高尿酸培养基抑制了细胞的UMP合成和嘧啶合成，使肿瘤细胞对5-氟尿嘧啶化疗更敏感。标准培养情况下，超生理浓度的丙酮酸和精氨酸能稳定HIF-1α诱导的转录活性，反转精氨琥珀酸裂解酶催化的尿素循环。在生理浓度培养下，则无该现象。

细胞培养系统也会影响细胞代谢。3D培养发现脯氨酸和丙酮酸影响乳腺癌的转移定植而不是原位细胞生长。和非生理条件相比，生理条件下培养的乳腺癌球状物更好的重现了乳腺癌的代谢特征。

总之，细胞代谢表型可以由微环境塑造，创造更接近生理环境的培养条件有利于研究体内细胞代谢和细胞对微环境的适应。

微环境中细胞间的代谢交互

1.T细胞和肿瘤细胞

总体而言，T细胞表面受体TCR和抗原结合后须通过细胞内代谢重编程来激活T细胞，T细胞和肿瘤细胞会竞争性地从微环境中摄取葡萄糖和氨基酸等营养物质。这为我们开发既能最大化抗肿瘤免疫效果又能抑制肿瘤生长的治疗方法提供了新思路。

高速增殖、激活的T细胞重度依赖葡萄糖代谢。葡萄糖代谢相关的代谢酶和代谢物有助于T细胞活化。LDHA可以通过维持乙酰辅酶A的水平调节组蛋白乙酰化和Ifng基因的转录。在代谢物方面，低糖通过降低mTOR通路活性抑制CD8 T细胞中IFNγ的转录，磷酸烯醇丙酮酸通过激活转录因子NEAT来促进CD4 T细胞活性，乳酸的累积会抑制效应T细胞的增殖和细胞因子的产生从而损伤其抗肿瘤功能。在低糖的肿瘤免疫微环境中，CD8 T细胞通过上调脂肪酸代谢来维持自身功能。脂肪酸分解代谢的激活剂能促进免疫治疗效果。

氨基酸代谢可以使T细胞功能活化、细胞分化。谷氨酰胺代谢通过调控α-KG的水平影响CD4 T细胞的分化方向。GLS功能缺失时，T细胞的激活和TH17的分化受限，TH1和CD8 T效应细胞功能被增强。黑色素瘤中，精氨酸能诱导氧化磷酸化、促进T细胞的存活和产生强抗肿瘤活性的中央记忆样T细胞。白血病中，抗原激活的T细胞上调SLC7A5转运体摄取能激活mTOR的亮氨酸和甲硫氨酸。黑色素瘤、胰腺导管腺癌和卵巢癌中，吲哚胺-2，3-双加氧酶IDO高表达，促进微环境中的色氨酸分解成犬尿氨酸，色氨酸的分解和犬尿氨酸的累积能抑制T细胞激活、促进Treg表型。

在代谢竞争中，肿瘤细胞似乎处于上风，靶向促进免疫细胞的氨基酸降解似乎能提升免疫细胞的活性。在MC38细胞中，谷氨酰胺的拮抗剂6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸能抑制肿瘤细胞的糖酵解和氧化代谢，促进T效应细胞从谷氨酰胺驱动的氧化代谢转换到葡萄糖驱动的氧化代谢，促进了效应T细胞的功能。肿瘤的代谢微环境为抗肿瘤免疫提供了另一个思路。其可行性有赖于不同类型的肿瘤以及克服TCR信号响应迟缓引起的细胞耗竭。

2.巨噬细胞和肿瘤细胞

肿瘤相关的巨噬细胞（TAM）有抗肿瘤的M1型和促进肿瘤的M2型。细胞代谢影响TAM的极化和抗肿瘤/促肿瘤的分化方向。乳酸能稳定HIF-1α介导的VEGF表达、激活GPR132，使TAM促向M2型分化，促进乳腺癌转移。在细菌激活的M1型TAM中，乳酸能促进组蛋白的乳酸化修饰。在肿瘤细胞和TAM的交互中，组蛋白乳酸化修饰的功能还需要进一步的研究。TAM中谷氨酰胺代谢通过产生α-KG促进脂肪酸氧化和M2型基因的表观激活来促进肿瘤。抑制谷氨酰胺合成酶GS能使M2向M1转换，抑制肿瘤转移。THP-1细胞IDO的高表达促进自身M2型的分化。胰腺导管腺癌中，TAM分泌脱氧胞苷等嘧啶物质抑制吉西他滨的化疗效果，靶向TAM能增强疗效。

3.基质细胞和肿瘤细胞

和肿瘤相关的不同类型的基质细胞统称为肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）。CAFs是肿瘤微环境中丰度最高的细胞，对于肿瘤细胞的胞外基质的重构、迁移、侵袭和免疫监管逃逸有很大贡献。

CAFs和肿瘤细胞的代谢交互被称为反向Warburg效应，两者互惠互利。一方面，CAFs分泌的代谢物常常被周围的肿瘤细胞作为代谢原料。CAFs通过有氧糖酵解分泌的乳酸常被肿瘤细胞作为能源物质。CAFs上调谷氨酰胺合成代谢，将谷氨酰胺分泌到肿瘤微环境，癌细胞利用其维持核苷酸生成和氧化磷酸化。抑制CAFs中的GS和肿瘤中GLS的都能减缓小鼠卵巢癌的肿瘤生长和转移。在胰腺导管腺癌中，胰腺星状细胞通过自噬产生分泌丙氨酸，葡萄糖缺乏时，胰腺导管腺癌细胞用丙氨酸替代丙酮酸作为氧化磷酸化的原料。胰腺星状细胞还能分泌溶血磷脂胆碱，胰腺导管腺癌细胞用其生产磷脂酰胆碱，进而用来构建细胞膜和溶血磷脂酸，促进自身生长和迁移。CAFs分泌的天冬氨酸能被肿瘤细胞用来合成核苷酸和生物物质。另一方面，肿瘤细胞分泌的代谢物能促进CAFs的生长。肿瘤细胞分泌的谷氨酸能用来维持CAFs的氧化还原平衡和ECM重构。卵巢癌和子宫内膜癌中，脂肪基质细胞分泌的精氨酸能被肿瘤细胞转化成瓜氨酸和一氧化氮，瓜氨酸可以促进脂肪细胞发生，一氧化氮既能降低肿瘤细胞的氧化压力又能促进其糖酵解。

CAFs还可以通过更直接的方式影响肿瘤代谢。在胰腺癌和前列腺癌中，CAFs来源的外泌体直接为肿瘤细胞提供氨基酸、脂质和TCA中间产物，维持中心碳代谢。CAFs还能生产胶原一类的大分子，在营养匮乏时，胰腺导管腺癌细胞能降解微环境中的胶原，使用其中的脯氨酸来维持自身TCA循环和生长。

CAFs和肿瘤细胞的代谢交互是双向的，CAFs和免疫细胞的代谢还交互有待研究。卵巢癌中，CAFs生产的半胱氨酸被肿瘤细胞用来生产GSH，为肿瘤细胞提供铂基化疗药物的抗药性。CD8 T细胞分泌的IFNγ通过JAK/STAT1信号通路抑制xCT半胱氨酸/谷氨酸反向转运体解除抗药性。

解剖学位置影响肿瘤微环境

1.器官特异的代谢组成分

不同的器官有不同的转录谱、蛋白谱和代谢谱，这也影响了肿瘤细胞代谢。可以通过比较原发灶和转移灶来，揭示组织和局部微环境对肿瘤代谢和行为的影响。原发性乳腺癌依赖于谷氨酰胺回补TCA循环，而肺转移灶的微环境中丙酮酸丰度高，癌细胞转而提升丙酮酸羧化酶的活性，利用丙酮酸互补TCA循环。脑转移灶中的癌细胞则主要用乙酸来回补TCA循环。在结直肠癌中，肝转移灶的脑型肌酸激酶CKB高表达，CKB分泌到微环境中产生磷酸肌酸，磷酸肌酸经SLC6A8摄取后用于产生ATP；糖异生通路的磷酸烯醇丙酮酸羧激酶PEPCK1和丙酮酸酸激酶PKLR肝转移后高表达，PEPCK1能促进核苷酸合成，PKLR能维持GSH合成。靶向糖异生通路能抑制结直肠癌转移。

2.肿瘤位置和代谢异质性

肿瘤细胞要适应同一个器官不同位点的局部的微环境。单细胞测序发现在人黑色素瘤和头颈癌的所有类型的细胞中糖酵解和线粒体代谢水平和局部的氧气浓度有强相关性。小鼠胶质瘤异体移植模型中，血管周围的癌细胞mTOR依赖的合成代谢活性更高，肿瘤生成能力更强。人非小细胞肺癌的葡萄糖示踪实验显示，细胞高密度区域的肿瘤细胞消耗葡萄糖来维持糖酵解和氧化磷酸化，低密度区域的肿瘤细胞则依赖于其他碳源。并且这种代谢差异和KRAS和EGFR等癌基因突变无关。实体瘤有谷氨酰胺缺乏的核心区，这可以诱导细胞的过甲基化和去分化。肿瘤内血管缺乏的区域能观察到丝氨酸、天冬酰胺和天冬氨酸的缺失。区域代谢异质性、营养分布差异和细胞密度等对代谢微环境的影响仍然需要进一步研究。

系统代谢影响肿瘤微环境

个体的整体代谢状态和饮食等环境因素对肿瘤微环境的影响也很重要。然而，人们对系统的营养水平影响肿瘤微环境内的肿瘤和细胞的代谢偏好性的认识还不充分。越来越多的研究显示饮食干预和激素调控影响局部代谢。

近年来，调节饮食中的氨基酸组分被用来控制癌症进展和治疗。对大多数癌症来说，限制丝氨酸和甘氨酸可以促进丝氨酸合成、氧化磷酸化和ROS的产生。小鼠实验发现，P53缺失的肿瘤不能抵消ROS带来的氧化压力，肿瘤生长减缓了。对免疫细胞而言，丝氨酸和甘氨酸限制饮食维持了Treg的抑制状态。甲硫氨酸限制饮食会降低CD4 T细胞中细胞增殖和功能相关的基因的甲基化水平。天冬酰胺限制饮食在不影响原发灶的情况下抑制乳腺癌的转移。限制热量摄入能减弱癌细胞从血浆和组织液中摄取脂质，还能通过抑制硬脂酰辅酶A去饱和酶的活性增加毒性饱和脂肪酸水平，抑制胰腺导管腺癌的进展。

饮食干预还能增强药物疗效。生酮饮食能抑制葡萄糖-胰岛素反馈调节，显著提高PI3K抑制剂的疗效。白血病小鼠模型中发现，组氨酸添加饮食能提高组氨酸降解，增强细胞对甲氨蝶呤的敏感性。

饮食可以通过影响人体正常菌群影响免疫。食物中的烟酰胺和烟酰胺核糖能被肠道菌群用来提高宿主细胞的NAD合成代谢，使人对烟酰胺磷酸核糖转移酶抑制剂产生抗性。此外，微生物菌群有免疫调节作用，影响免疫治疗效果。

靶向代谢治疗癌症

在肿瘤治疗和诊断史上，基于靶向代谢通路的策略是众多成功策略之一。目前，靶向肿瘤代谢的研究主要集中基因异常引发的恶性增殖细胞本身的适应性代谢改变。对于肿瘤、局部、器官和系统层面带来的适应性代谢改变的研究和认识可能会带来新的高特异性的靶点。例如脂肪酸转运体CD36促进卵巢癌发展和转移，CD36抑制剂不仅能抑制肿瘤生长还能抑制M2型巨噬细胞的极化，有一石二鸟的功效。糖酵解抑制剂可以抑制肿瘤生长，同样也抑制了对肿瘤细胞的免疫监管。

有些药物在治疗肿瘤时会损伤免疫功能。乳酸转运体MCT1/2的抑制剂AZD3965在实体瘤和大B细胞淋巴瘤临床I期实验中显示能抑制T细胞的增殖。叶酸代谢能提供一碳单位，叶酸抑制物如甲基喋呤在抑制肿瘤细胞生长时也能抑制CD4和CD8的一碳代谢。有些代谢药物能增强免疫治疗的效果。PKM2激活剂能抑制肿瘤细胞表达PDL1，PFKB3抑制剂靶向CTLA4，两者都能既抑制肿瘤细胞生长，又增强免疫治疗效果。有些药物对于免疫细胞的影响仍需进一步研究。雷帕霉素抑制肿瘤细胞生长，抑制T效应细胞增殖，促进Treg细胞增殖，提高记忆T细胞响应。二甲双胍可能通过提高体内T细胞功能抑制肿瘤增长。最后，还可以用CAR-T细胞改变肿瘤微环境中的细胞行为。在第四代CAR-T中，高表达能降解ECM的肝素酶，可以提高T细胞的浸润和肿瘤退行。

总结

肿瘤代谢领域已经在描述细胞内在因素对肿瘤细胞代谢活动的影响方面取得了很大进展，然而，肿瘤的代谢和行为还受到肿瘤微环境的调控，肿瘤细胞一方面能主动或被动地适应微环境中代谢物组成状态，另一方面也可以与其它细胞一起塑造微环境，同时，细胞间互作、肿瘤所处的解剖学位置、系统代谢稳态等都会影响肿瘤微环境，进而影响肿瘤代谢和行为。因此，理解代谢微环境和不同肿瘤细胞代谢的异质性非常关键，科学家需要在生理相关环境中研究这些过程，并在将代谢靶点转化为疗法时考虑个体系统代谢状态的影响。这有助于发现更好的靶向代谢的疗法，提高已有治疗策略的效果。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s42255-020-00317-z