氨基酸代谢在肿瘤微环境及免疫治疗中作用的研究进展

陈辰综述；蒋敬庭审阅（苏州大学附属第三医院放射肿瘤科，江苏省肿瘤免疫治疗工程技术研究中心，苏州大学细胞治疗研究院，江苏常州 213003）

氨基酸是蛋白质的基本构件，对核苷酸、抗氧化剂（谷胱甘肽）、氨基葡萄糖和多胺的生物合成至关重要，其作为代谢物参与能量产生过程（如三羧酸循环）[1]。氨基酸的需求取决于细胞类型、细胞代谢状态和微环境[2]。氨基酸是免疫细胞和肿瘤细胞的重要营养物质，是构成人体免疫系统的基本材料，可直接对抗肿瘤细胞。多种氨基酸如谷氨酸、精氨酸、色氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸等在T 细胞的活化、分化和发挥功能依赖于氨基酸的运输和代谢[3]。肿瘤细胞不仅将氨基酸用于自身增殖和侵袭[1]，而且还利用氨基酸进行免疫逃逸[4-5]。肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）中某些氨基酸的缺乏和氨基酸的代谢产物会抑制免疫细胞发挥免疫功能，特别是效应T细胞的活化和功能。当TME中氨基酸代谢的平衡被破坏，多种氨基酸转运体也发生了变化，更多的氨基酸被肿瘤细胞掠夺，从而促进肿瘤细胞生长。另一方面，研究结果[6-7]表明，在肿瘤动物模型和肿瘤患者中，免疫治疗、化学治疗和放射治疗与T细胞的功能相关。以PD-1 和CTLA-4 为代表的免疫检查点负性调节分子在直接抑制T 细胞发挥作用的同时，通过下调氨基酸转运体合成抑制免疫细胞新陈代谢，从而间接抑制免疫细胞功能。目前已有药物在抑制肿瘤细胞摄入氨基酸的同时增加T 细胞氨基酸摄入，以增强抗肿瘤作用。

1 氨基酸在TME中的代谢变化

1.1 谷氨酰胺（glutamine，Gln）促进免疫细胞和肿瘤细胞活化与增殖

Gln 是一种非必需氨基酸。SLC1A5 是介导Gln转运的转运蛋白之一。此外，许多其他转运体同样介导Gln的摄取，包括SLC6A14、SLC6A19（B0AT1）、SLC38A1（SNAT1）、SLC38A2（SNAT2）、SLC38A4（SNAT4）、SLC38A3（SNAT3）和SLC38A5（SNAT5）等[8]（表1）。其中，SLC1A5和SLC38A1已被证明在T细胞激活过程中上调[9]。与此相一致，T 细胞在激活过程中增强Gln 的摄取。在体外实验中，Gln 阻断可抑制小鼠T 细胞的增殖和细胞因子的产生[10]。在人和小鼠的CD4+T 细胞中，Gln 限制抑制Th1 细胞分化，促进Foxp3+调节性T（regulatory T，Treg）细胞分化[11-12]。在SLC1A5缺陷的T细胞中，Gln摄取和mTORC1 激活严重受损，Th1 和Th17 细胞的分化也被阻断[13]。Gln对巨噬细胞功能的增强主要是促进抗原提呈、吞噬和细胞因子分泌。谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）驱动的Gln 降解是Gln 代谢的主要事件。相关中间产物谷氨酸和谷丙转氨酶2（glutamic-pyruvic transaminase 2，GPT2）在IL-4 诱导的M2 巨噬细胞中表达上调，在没有它们的情况下，M2 巨噬细胞极化降低[14]。Gln 对B 细胞增殖和分化为浆细胞也非常重要。

表1 氨基酸转运体及对免疫细胞和肿瘤细胞的作用

肿瘤细胞内存在大量由Gln转化而来的谷氨酸。转化过程依赖于GLS的活性。GLS是一种在肿瘤中高度表达的线粒体酶[15]，参与Gln分解为谷氨酸的第一步，对肿瘤代谢表型至关重要。GLS 是肿瘤治疗的潜在靶点，临床试验正在测试针对实体瘤的GLS抑制剂[16-17]。肿瘤细胞Gln 代谢产生的氨通过TME扩散，触发肿瘤相关成纤维细胞的自噬，进而提供蛋白质分解产物，如Gln 本身，以进一步支持肿瘤细胞的代谢[18]。在小鼠模型中，通过抑制Gln代谢来干预肿瘤代谢可抑制肿瘤生长，并使TME 更适合于抗肿瘤效应细胞[19]。

1.2 精氨酸（arginine，Arg）增强抗肿瘤细胞的作用

Arg 是一种非必需氨基酸。其内源合成可由瓜氨酸启动。细胞外Arg 通过阳离子氨基酸转运蛋白y+系统穿膜转运，包括SLC7A1、SLC7A2和SLC7A3。SLC7A1 主要负责T 细胞摄取Arg（表1）。下调SLC7A1 的表达会抑制Arg 的摄取和T 细胞的增殖。Arg 饥饿通过一般性调控阻遏蛋白激酶2 激活、诱导T细胞周期停滞，导致TCR Zeta链（CD3ζ）丢失，并减少T细胞增殖和细胞因子的产生[20]。在小鼠模型中，补充Arg可促进具有高活性的记忆性T细胞生成，从而增强CD8+T 细胞介导的抗肿瘤活性[21]。因此，Arg对于T 细胞的增殖、激活和抗肿瘤功能是必不可少的[22]。M2巨噬细胞与炎症巨噬细胞代谢氨基酸的方式不同，其表达高水平的精氨酸酶1（arginase 1，ARG1），ARG1 耗尽Arg 并产生高度免疫抑制的多胺[23-24]。Arg 也是促炎M1 巨噬细胞发挥功能的关键营养素。在体外研究中，与极化的M2 巨噬细胞相比，M1巨噬细胞表达高水平的诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）[25]。iNOS 需要Arg产生一氧化氮，而一氧化氮是抗肿瘤反应的重要促炎介质。低水平的Arg会抑制NK细胞的增殖和干扰素γ（IFN-γ）的产生；人NK 细胞激活受体，如NKp46 和NKp30，在低Arg 条件下被抑制[26-27]。Arg饥饿会导致髓源性抑制细胞（myeloid-derived suppressor cell，MDSC）积累，从而削弱抗肿瘤T细胞的作用[28]。

目前存在两类精氨酸酶抑制剂，一类是从底物L-精氨酸开发的合成精氨酸酶抑制剂，例如，N[ω]羟基-L-精氨酸[NOHA]类似物[29]；另一类是来自天然产物的抑制剂[30]。在乳腺癌MDA-MB-468 细胞中，NOHA 诱导细胞周期停滞和凋亡，并减少精胺酸的产生。但到目前为止，尚未有精氨酸酶抑制剂被美国食品药品监督管理局批准用于肿瘤的治疗。

1.3 色氨酸（tryptophane，Trp）代谢产物抑制T 细胞和巨噬细胞功能

Trp是必需氨基酸之一。细胞外Trp通过中性氨基酸转运蛋白系统L转运到细胞内，该系统由一个重链SLC3A2 和两个轻链之一SLC7A5 或SLC7A8 组成[31]（表1）。细胞内的部分Trp用于蛋白质合成以及色胺和5-羟色胺的产生。超过95%的游离Trp 是由犬尿氨酸（kynurenine，Kyn）降解途径生成的[32]。Trp被吲哚胺-2,3-双加氧酶1（indoleamine-2,3-dioxygenase 1，IDO1）、IDO2 或Trp-2,3-双加氧酶（TDO）催化生成Kyn。IDO1在TME中的肿瘤细胞、间质细胞、树突状细胞（DC）和巨噬细胞中高表达，Trp 分解代谢可导致Trp 耗竭和Trp 相关代谢物的积聚，从而介导肿瘤免疫逃逸。例如，Kyn和3-羟基邻氨基苯甲酸（3-HAA）可被T 细胞摄取并抑制T 细胞功能。此外，芳香烃受体（aromatic hydrocarbon receptor，AHR）是Kyn 的直接靶标。AHR 促进Treg细胞分化，降低DC功能，抑制效应T细胞功能，并与肿瘤患者生存呈负相关[33]。AHR还可促进巨噬细胞表面CD39 的表达，从而抑制T 细胞活化[34]。Kyn 可以通过SLC7A5[35]、SLC7A8 和SLC36A4[36]直接转染CD8+T 细胞，从而激活AHR 并上调CD8+T 细胞中程序性死亡蛋白-1（programmed death-1，PD-1）的表达[36]。阻断这种Kyn-AHR途径可增强过继T细胞的抗肿瘤效果[36]。因此，Trp 耗竭和Trp-Kyn-AHR 相关代谢物有助于肿瘤免疫逃避。

IDO 的表达与几种肿瘤类型患者的不良预后相关，包括胃癌、结直肠癌、非小细胞肺癌和黑色素瘤[37-38]。肿瘤可通过IDO 降低TME 中的Trp 水平[39]。IDO 抑制剂可以抑制皮下Lewis 肺癌和B16 黑色素瘤移植瘤的生长，其中肿瘤细胞不表达IDO，但肿瘤的形成持续诱导IDO 的产生，并对炎性肿瘤引流淋巴结（tumor-draining lymph node，TDLN）中的DC 发挥作用[4]。酪氨酸激酶抑制剂（tyrosine kinase inhibitor，TKI）作为一种重要的抗肿瘤药物，已广泛应用于多种肿瘤中。其通过抑制干细胞因子受体c-Kit，降低DC中IDO的磷酸化水平，消除IDO对DC的影响，降低Trp 代谢。目前，多种TKI 具有抗肿瘤作用，如达沙替尼，可通过改变DC 代谢状态提高同种异体T细胞的功能，从而延缓小鼠B16黑色素瘤的进展。达沙替尼修饰DC后，通过c-Kit途径下调IDO和Trp 代谢，提高T 细胞活性。提示TKI 可用于调节DC的代谢，达到增强抗肿瘤能力的目的[40]。

1.4 亮氨酸（leucine，Leu）促进T细胞增殖和活化

Leu是一种大的中性氨基酸。Leu转运主要由含有SLC7A5（LAT1）和SLC3A2 亚基的系统L 转运蛋白介导（表1）。两个亚基均在T细胞激活过程中T细胞受体（T cell receptor，TCR）参与时表达上调[41]。SLC7A5 缺陷小鼠的T 细胞在抗原刺激后增殖或活化能力缺失，可能与mTORC1的快速失活有关[9]。抑制SLC7A5 会抑制人T 细胞的激活和抗肿瘤功能[41]。SLC7A5的缺失导致了CD4+（Th1、Th17）细胞和效应性CD8+T细胞在体外激活和细胞因子定向分化过程中的代谢降低，但不影响Treg细胞[42]的分化。

1.5 蛋氨酸（methionine，Met）饥饿限制T细胞的功能

Met 是一种必需的含硫氨基酸[43]。一些SLC（包括SLC1A5、SLC7A5、SLC7A6、SLC38A2和SLC43A2）可以介导Met 转运（表1）。功能测试表明，SLC7A5可能是小鼠CD4+T 细胞摄取Met 的关键因子。SLC7A5缺陷的CD4+T细胞表现为Met内流减少、活化和分化受损[44]。因此，SLC7A5 缺陷T 细胞的表型可能与Met 水平不足有关。人与小鼠肿瘤浸润性CD8+T 细胞都表达低水平的SLC43A2，导致T 细胞中Met 和S-腺苷蛋氨酸（S-adenosine methionine，SAM）水平降低，组蛋白H3K79二甲基化（H3K79me2）和信号转导及转录激活蛋白5（STAT5）的表达受损，T 细胞存活和功能降低[45]。因此，Met 摄取在T 细胞激活时增加，并有助于产生SAM，维持组蛋白甲基化和RNA 甲基化[44-45]。Met 饥饿可以减少CD8+T 细胞中的H3K79me2[45]和Th17 细胞中的组蛋白H3K4 三甲基化（H3K4me3）[46]。因此，Met 对T 细胞的存活和功能至关重要。从机制上讲，肿瘤细胞通过高表达Met 转运蛋白SLC43A2 来消耗和竞争T 细胞的Met[45]。目前，肿瘤细胞高效的Met摄入是一种有待被认可的免疫逃避机制。

1.6 半胱氨酸（cysteine，Cys）参与免疫细胞和肿瘤细胞增殖过程

Cys 在整个细胞中被广泛使用，包括催化、蛋白质折叠、运输和介导主要的抗氧化防御[47]。通过ASCT1、ASCT2（虽然有争议）和xCT（与CD98/SLC3A2 一起形成系统XC-胱氨酸/谷氨酸逆向转运体）进行质膜转运[48]（表1）。研究结果[49]证实，虽然幼稚T 细胞同时表达较低水平的Cys 和Cys 转运蛋白，但激活的T细胞对这些转运蛋白有强烈的上调作用，从而使T 细胞的反应性独立于抗原提成细胞释放的Cys。这些结果支持T 细胞对培养淋巴细胞中ASCT1、ASCT2 和xCT 功能的自主需求。然而有研究结果[50]发现，T细胞特异性敲除xCT不会破坏体内T细胞抗肿瘤效应。多项证据[51]也揭示了Cys对肿瘤细胞增殖和存活至关重要。肿瘤细胞内的特殊代谢需求必须通过细胞外的Cys来源来满足。反之，当细胞外Cys 水平降低时，内源性转硫活性可通过产生Cys 来支持体内肿瘤细胞的增殖[52]。肿瘤细胞从细胞外Cys 中获取Cys 仍然是维持谷胱甘肽水平和缓冲氧化应激的重要手段，否则会导致细胞死亡。这些结果强调了肿瘤细胞和免疫细胞之间存在的代谢竞争：局部Cys可以被肿瘤细胞摄取用来增强其侵袭性，从而抑制T细胞的抗肿瘤免疫反应。

1.7 其他氨基酸

丙氨酸（alanine，Ala）剥夺延迟幼稚T 细胞和记忆性T 细胞的激活，但对T 细胞抗肿瘤功能没有影响。在激活的T 细胞中，细胞外Ala 用于蛋白质合成，而不是分解代谢[53]。因此，Ala只有在T细胞激活时才是必需的。胰腺星状细胞可以为肿瘤细胞提供Ala，从而促进细胞增殖[54]。

丝氨酸（serine，Ser）是T细胞从头合成嘌呤的必需氨基酸：在没有外源性Ser的情况下，T细胞在体外不能有效增殖。此外，在李斯特菌感染后，保持Ser限制饮食的小鼠也显示出产生IFN-γ 的CD8+/CD4+T细胞的数量显著减少，这表明体内抗原特异性T细胞反应也受到Ser限制的相同影响。然而限制饮食后，对表达卵蛋白的单核细胞增多性李斯特菌反应的效应性T细胞产生的细胞因子的量未受到影响，这表明Ser饮食限制并不影响能够对感染做出反应的T细胞的功能，而是影响数量[55]。

2 氨基酸代谢和肿瘤免疫治疗

肿瘤免疫治疗使肿瘤浸润淋巴细胞的抗肿瘤效应增强[7]。免疫检查点受体包括细胞毒性T淋巴细胞抗原4（cytotoxic T lymphocyte antigen-4，CTLA-4）和PD-1，通过限制新陈代谢适应性和葡萄糖、氨基酸的摄取来负向调节T 细胞的激活[56]。PD-1 信号导致SLC38A1和SLC38A2的诱导减少，抑制Gln的运输，并减少支链氨基酸（包括缬氨酸和Leu）的分解代谢[3]。CTLA-4 的参与也可抑制Glut1、SLC38A1 和SLC38A2 的表达[57]。因此，抑制免疫检查点可以直接重新编程T细胞代谢。此外，免疫检查点治疗还可以通过IFN对肿瘤细胞的氨基酸代谢进行重新编程。免疫治疗激活的效应T细胞释放IFN。IFN通过下调肿瘤细胞中SLC7A11 和SLC3A2 的表达来抑制胱氨酸的摄取，导致肿瘤脂质过氧化、肿瘤铁死亡和肿瘤坏死。与此相一致，PD-L1单抗治疗可促进荷瘤小鼠肿瘤细胞中的脂质过氧化和死亡[58]。将胱蛋白酶（一种Cys 工程酶）与PD-L1 阻断剂联合使用，可以协同增强T细胞介导的抗肿瘤免疫，并诱导肿瘤细胞铁死亡。此外，人黑色素瘤组织中SLC7A11 和SLC3A2的表达与浸润CD8+T细胞数量呈负相关[58]。因此，免疫治疗激活的T 细胞可以重新编程肿瘤细胞中的氨基酸代谢，最终有助于T细胞介导的抗肿瘤免疫。

T 细胞在肿瘤发展的后期逐进入耗竭状态。这种状态在很大程度上是不可逆的。现有研究[59]证明，通过靶向限制Met 摄入将抑制DNA 甲基化，从而增强PD-1 单抗免疫治疗的疗效。服用低剂量的DNA甲基转移酶抑制剂地西他滨可显著提高CAR-T细胞的治疗效果[60]。在现有的研究中，靶向拮抗Gln的药物JHU083 对TME 中的肿瘤细胞和T 细胞产生不同的代谢效应[61]。在肿瘤细胞中，Gln 代谢的中断不仅耗尽了Gln供给的通路，同时还削弱了肿瘤细胞吸收葡萄糖的能力。相反，T细胞受到药物的刺激后增加其对肿瘤的浸润，并诱导促进增殖的基因表达，提高细胞存活率，甚至增强抗肿瘤记忆效应。

3 结语

TME 代谢改变是肿瘤的一个重要标志，在TME中肿瘤细胞通过改变氨基酸代谢平衡，使免疫细胞处于氨基酸饥饿状态，将更多的氨基酸用于自身增殖与侵袭，并且抑制免疫细胞发挥抗肿瘤作用。而免疫检查点抑制剂对氨基酸代谢的调节作用为制定肿瘤治疗策略与免疫检查点疗法结合使用提供了新的机会。考虑到代谢改变对抗肿瘤免疫的影响，设计治疗方案以逆转代谢微环境失调并随后实施免疫检查点抑制剂将是一项有效的组合方式。基于肿瘤突变和代谢状况进行患者分类，找出最佳匹配的免疫治疗方案，可以将个性化药物带到更高水平。关于代谢检查点抑制剂与免疫检查点抑制剂的正确排序的其他问题也仍然没有答案。不仅如此，如何在抑制肿瘤细胞摄入氨基酸的同时不影响甚至增加免疫细胞摄入氨基酸，方法尚未可知。未来的研究应该开始关注TME内免疫细胞和肿瘤细胞之间的代谢相互依赖关系。调节TME代谢的策略不限于靶向治疗。例如，放射治疗可以用来调节TME的新陈代谢，使免疫细胞更好地浸润。这些和其他尚未探索的治疗方式具有强大的潜力，可以将免疫治疗的益处扩大到更多的患者。