【Nature文献速递】揭开肿瘤微环境中Treg细胞维持功能的神秘面纱-乳酸

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2021-06-07

调节性T细胞(regulatory T cell, Treg)对免疫稳态的调控至关重要。在肿瘤微环境中存在大量的Treg细胞，目前认为其是帮助肿瘤细胞逃避机体免疫监视的“罪魁祸首”^[1]。肿瘤细胞的高葡萄糖消耗和乳酸产生维持了一个代谢物缺乏、缺氧以及酸性的肿瘤微环境（tumor microenvironment , TME），这使浸润的效应T细胞(effector T cells)与肿瘤竞争代谢物,从而影响效应T胞的增殖和功能。然而，在肿瘤微环境中Treg细胞仍然能够保持其对效应T细胞的强烈抑制作用^[2]。那么导致肿瘤微环境中Treg细胞与效应T细胞功能的这种差别是什么呢？

2021年2月15日，美国匹兹堡大学Greg M. Delgoffe教授团队在Nature杂志上发表题为‘Metabolic support of tumour-infiltrating regulatory T cells by lactic acid’的文章，研究发现Treg细胞可以在TME中使用‘替代’代谢物--乳酸来维持其抑制特性，表明肿瘤不仅通过剥夺效应T细胞的营养，而且能通过代谢物支持Treg细胞功能，从而实现肿瘤免疫逃逸。

1、调节性T细胞具有与传统T细胞不同的代谢模式

已有研究表明肿瘤细胞代谢升高与效应T细胞功能降低相关^[3]，研究人员试图确定肿瘤代谢升高与Treg细胞功能之间的关系。通过检测从Foxp3报告小鼠肿瘤中分离的Treg细胞的抑制活性，发现肿瘤细胞的糖酵解能力与肿瘤内Treg细胞的抑制功能相关(图1a)。正如预期，Treg细胞在肿瘤中富集且活跃增殖(图1 b ,c)。进一步发现，与传统T细胞相比，Treg细胞在刺激活化后诱导的糖酵解较少(图1d)，对葡萄糖的摄取也较少(图1e, f)。此外，小鼠不同组织中的Treg细胞对于葡萄糖的摄取是高度异质性的，当存在肿瘤或者炎症时其对葡萄糖的摄取能力显著降低（图1g），但传统T细胞却没有这一特征。

2、对葡萄糖的亲和力与Treg细胞抑制功能相关

接下来，研究人员分别纯化了低和高葡萄糖亲和力的Treg亚群（2NBDG^lowTreg cells and 2NBDG^hiTreg cells ），发现与2NBDG^low亚群相比，2NBDG^hi亚群的抑制功能显著降低（图2a），表明对葡萄糖的亲和力高预示着Treg细胞抑制性功能弱。进一步的测序分析表明对葡萄糖亲和力高的Treg细胞（2NBDG^hiTreg cells）表达的Treg特征基因如Foxp3、Ikaf2、CD25以及Nrp1减少（图2b），这说明尽管葡萄糖亲和的Treg细胞仍然是Foxp3⁺，但它们具有“较弱”的Treg特征。体外的重刺激实验结果显示尽管2NBDG^hi亚群的抑制功能较弱，但其能产生大量IL-10（图2c）。体内通过T细胞转移性肠炎模型进一步证明2NBDG^low亚群的抑制能力更强（图2d-f），表明对葡萄糖的亲和力与Treg细胞抑制能力相关,并且暴露于高葡萄糖的Treg细胞抑制功能会受损（图2g）。与此同时，2NBDGlow亚群表现出更高的糖酵解终端步骤酶类的表达，包括乳酸脱氢酶和MCT1（图2h）。

3、Treg细胞可以代谢乳酸

在肿瘤微环境中乳酸是高度富集的（图3a），目前认为其具有免疫抑制作用^[4,5]，但研究人员发现乳酸并不会抑制Treg细胞的增殖和功能。通过测定细胞内pH变化发现Treg细胞而非传统T细胞可以摄取乳酸（图3b），且对乳酸的摄取是异质性的，与对葡萄糖亲和力低的Treg相比，对葡萄糖亲和力高的Treg摄取的乳酸显著减少（图3c,d）。流式分析显示能够摄取乳酸的Treg细胞表达更高水平的CD44和Nrp1，说明其抑制功能较强（图3e）。对Treg细胞的代谢进行分析，发现Treg细胞能够将摄取的乳酸转换为丙酮酸最终参与TCA循环，还可将乳酸衍生的碳提供给磷酸烯醇丙酮酸PEP，而PEP可提供上游糖酵解中间产物来促进细胞增殖，这些结果表明乳酸可以作为糖原异生的燃料来源，从而降低Treg细胞对葡萄糖的需求（图3f,g,h）。PEPCK抑制剂3MP的处理，可显著降低Treg细胞增殖能力，但不影响其抑制功能（图3j,k）。

4、乳酸支持肿瘤内Treg细胞功能

研究人员构建了Treg细胞特异性敲除单羧酸盐转运蛋白MCT1的小鼠。与预期一致，敲除MCT后Treg细胞对乳酸的摄取减少（图4a），但不会影响Treg细胞增殖和功能。在接种B16肿瘤后，敲除小鼠肿瘤生长显著减慢，生存期明显延长（图4b）,且肿瘤中浸润CD8+ T细胞增殖能力以及产生IFN-γ能力更高（图4c-e），对肿瘤内浸润的Treg细胞进行分析，结果显示敲除MCT1的Treg细胞增殖能力降低，抑制能力减弱（图4f-h），说明敲除MCT1后Treg细胞抑制能力减弱,且敲除后的Treg细胞对葡萄糖亲和力更高（图4i）。这些预示着Treg细胞在肿瘤组织中的免疫抑制功能与其对乳酸的摄取能力密切相关，并且Treg细胞中乳酸摄取的损失能产生有利于免疫疗法的环境。因此，研究人员在Treg敲除MCT1的同时给予抗PD-1抗体治疗，发现其能够极大的增强抗体的治疗效果（图、4l）。

总的来说，研究人员强调了葡萄糖对Treg细胞功能和特性的拮抗作用，而乳酸既可以被Treg细胞用作燃料，又可以保护其高抑制能力免受葡萄糖的负面影响。因此，研究人员提出存在一个葡萄糖-乳酸轴，以根据营养状况来调节Treg细胞的功能。直接靶向乳酸代谢，或者抑制肿瘤酸度，能够打破Treg细胞对于肿瘤免疫的抑制，从而与肿瘤免疫疗法起到协同作用。这些结果将为提高肿瘤免疫疗法控制率、实现肿瘤精准治疗提供重要的理论基础。

参考文献：

[1]Wang, H., Franco, F. & Ho, P.-C. Metabolic regulation of Tregs in cancer: opportunities for immunotherapy. Trends Cancer 3, 583–592 (2017).

[2] Scharping, N. E. et al. The tumor microenvironment represses T cell mitochondrial biogenesis to drive intratumoral T cell metabolic insufficiency and dysfunction. Immunity 45, 374–388 (2016).

[3]Najjar, Y. G. et al. Tumor cell oxidative metabolism as a barrier to PD-1 blockade immunotherapy in melanoma. JCI Insight 4, e124989 (2019).

[4]Angelin, A. et al. Foxp3 reprograms T cell metabolism to function in low-glucose, high-lactate environments. Cell Metab. 25, 1282–1293 (2017).

[5]Fischer, K. et al. Inhibitory effect of tumor cell-derived lactic acid on human T cells. Blood 109, 3812–3819 (2007).

撰稿 | 孙晓凡

编辑 | 白梅、孙洋