靶向谷氨酰胺代谢增强抗肿瘤免疫和免疫治疗的研究进展

肿瘤细胞优先利用糖酵解途径分解为葡萄糖,导致葡萄糖转化为乙酰辅酶A进入三羧酸(TCA)循环的过程被阻断。肿瘤细胞转而加速提高细胞内谷氨酰胺代谢,将代谢中间产物补充到TCA循环,以维持细胞内的生物合成水平,这个过程被称为“回补”。 谷氨酰胺回补驱动TCA循环能够为氨基酸和核酸的合成提供氮,并为补充TCA循环中间体提供碳,这些中间体是生物合成的基石。此外,谷氨酰胺促进谷胱甘肽(GSH)和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)产生,参与维持细胞氧化还原稳态。谷氨酰胺分解代谢活跃是肿瘤细胞的一个基本代谢特征。谷氨酰胺分解是指细胞通过多种酶将谷氨酰胺转化为 TCA 循环代谢物的过程。谷氨酰胺通过溶质载体 (SLC) 转运蛋白进入细胞后,首先通过谷氨酰胺酶(GLS)转化为谷氨酸。谷氨酸接着通过两条不同的途径转化为α-酮戊二酸(α-KG):①通过谷氨酸脱氢酶(GLUD);②通过一组转氨酶,包括谷氨酸–草酰乙酸转氨酶(GOT)、谷氨酸–丙酮酸转氨酶(GPT)和磷酸丝氨酸转氨酶(PSAT)。 这样产生的 α-KG 可以作为回补底物参与到 TCA 循环中(图1)。 谷氨酰胺分解的主要功能是促进肿瘤细胞增殖、抑制肿瘤细胞死亡、促使肿瘤生长。

谷氨酰胺是一种非必需氨基酸,正常细胞可通过自身合成产生谷氨酰胺。但肿瘤细胞依靠自身合成的谷氨酰胺不能满足快速增殖的需要。在许多肿瘤中,肿瘤细胞通过细胞膜上SLC转运蛋白从胞外摄入谷氨酰胺或增强谷氨酰胺代谢通路中关键代谢酶的表达与活性,以维持增殖的需要。与谷氨酰胺转运相关的氨基酸转运体主要包括SLC1A5/ASCT2、SLC7A5 /LAT1、SLC38A2 / SNAT2和 SLC7A11 / xCT 等。SLC1A5是谷氨酰胺的主要转运蛋白,在许多类型的肿瘤中表达增加并与不良预后相关[5] 。例如,SLC1A5 介导的氨基酸代谢在促进白血病发生、进展中发挥关键作用。SLC1A5的抑制或缺失会对细胞代谢产生广泛影响,破坏亮氨酸流入和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号转导,诱导白血病细胞凋亡[6] 。GLS将谷氨酰胺水解为谷氨酸和游离氨,是谷氨酰胺回补通路的限速步骤。GLS1 在各种肿瘤细胞中过表达,并与较晚的肿瘤分期和较差的临床预后相关[7]。抑癌基因  ARID1A 突变是透明细胞卵巢癌中最常见的突变。研究发现, ARID1A 失活上调 GLS1,通过 TCA 循环增加谷氨酰胺的利用和代谢,促进天冬氨酸和核苷酸的合成来满足细胞增殖的需求[8] 。 GLUD1 将谷氨酸氧化脱氨为 α -KG,是谷氨酰胺分解代谢的关键酶之一,在多数肿瘤中表达上调。谷氨酰胺分解过程中产生大量的氨,可以重新被GLUD1同化进氨基酸合成通路,促进乳腺癌细胞的生长和增殖[9] 。最近的研究发现,蛋白质稳定性增加是肺腺癌中GLUD1上调的关键因素, GLUD1 的过表达促进肺腺癌细胞的增殖和迁移[10] 。 谷氨酸可以通过氨基转移酶途径转化为α-KG 而不产生氨,谷氨酸在这些转运中起到氮供体的作用。 例如,GOT2 可催化谷氨酸和草酰乙酸转化为 α-KG 和天冬氨酸。 GOT2 促进天冬氨酸和α- KG 的产生, 导致乳腺肿瘤细胞的快速增殖。GOT2 在乳腺肿瘤细胞中高表达,可以作为三阴性乳腺癌患者的独立预后因素[11] 。 然而,肝细胞癌组织中 GOT2 的表达下调,且与不良预后相关。抑制肝肿瘤细胞中 GOT2 表达,通过调节谷氨酰胺代谢重编程促进谷氨酰胺水解和谷胱甘肽合成,进而促进肿瘤发展[12] 。

在各种肿瘤中,谷氨酰胺代谢受到癌基因和抑癌基因的调节,促使肿瘤细胞通过谷氨酰胺代谢来满足能量需求。癌基因 c-Myc 在肿瘤中经常被扩增,是肿瘤细胞利用谷氨酰胺的主要驱动因子[13] 。c- Myc 转录结合到谷氨酰胺转运体的启动子区域,诱导 ASCT2 的表达,促进谷氨酰胺摄取增加。另外,c -Myc 通过转录抑制 miRNA - 23a / b 而上调GLS1 表达,增强谷氨酰胺代谢[14] 。 在胰腺导管腺癌中,致癌突变型 KRAS 通过转录抑制 GLUD、诱导谷草转氨酶的表达来促进谷氨酰胺的代谢,以满足对 NADPH 的需求, 维持 肿瘤细胞的生长和存活[15] 。 除了来自癌基因的正向调节输入,谷氨酰胺的摄取也受到抑癌基因的负向调节。 抑癌基因 Rb家族蛋白的缺失已被证明可以通过 E2F 依赖的ASCT2 和 GLS1 的上调来调节谷氨酰胺的摄取和利用[16] 。 c-Myc 和 E2F 是细胞分裂的两个关键促进因素,它们的作用很大程度上是通过使细胞获得谷氨酰胺来实现的,谷氨酰胺是伴随 DNA 复制的生物合成需求的关键代谢底物。一些肿瘤细胞非常依赖外源谷氨酰胺的分解代谢,以致于阻断谷氨酰胺的摄取将导致细胞凋亡, 这被称为 “谷氨酰胺成瘾    ( glutamine addiction)”。 迄今为止,以谷氨酰胺回补为靶点的多种化合物已被开发用于抗癌治疗。 谷氨酰胺的类似物 6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸(DON) 能够选择性地阻断谷氨酰胺参与的反应,“饿死”肿瘤细胞,但这种类似物不良反应过强,毒性太高,限制了它们的临床应用[17] 。

谷氨酰胺转运蛋白的竞争性小分子抑制剂 V-9302能够选择性靶向 SLC1A5, 有效抑制谷氨酰胺摄取,减弱 mTOR 信号转导,导致氧化应激增加,促进了体外和体内的抗肿瘤反应[18] 。 GLS1 的变构抑制剂 CB-839(telaglenastat)靶向谷氨酰胺分解代谢的初始阶段,会影响谷氨酸下游的功能,具有良好的系统耐受性,已进入肿瘤治疗的Ⅰ ~ Ⅱ 期临床试验[19] 。 另外,GLUD1 抑制剂和转氨酶抑制剂阻碍谷氨酰胺 TCA 循环回补,并在临床前研究中有效减少肿瘤增殖[20] 。 尽管靶向谷氨酰胺代谢的每一步在肿瘤治疗中都显示出有希望的结果,但药物开发还面临许多挑战。肿瘤细胞的代谢适应性及抗肿瘤免疫力降低,可能是抑制谷氨酰胺代谢的不良后果。因此,全面了解肿瘤微环境的谷氨酰胺代谢特征至关重要。

在肿瘤进展过程中,肿瘤细胞不断消耗谷氨酰胺以支持其快速增殖。谷氨酰胺缺乏已成为肿瘤微环境的一个众所周知的特征。越来越多的研究表明,谷氨酰胺代谢的重编程是肿瘤微环境中抗肿瘤免疫的决定因素[21]。免疫细胞是肿瘤微环境的重要组成部分,包括抗肿瘤的免疫效应细胞和促进肿瘤的免疫抑制细胞。肿瘤细胞对谷氨酰胺的掠夺性摄取导致浸润的免疫细胞对谷氨酰胺的利用受限和代谢适应, 降低了免疫细胞的抗肿瘤 效力,促进肿瘤免疫逃逸(图2)。 免疫细胞的独特代谢特征,主要反映在不同细胞分化和功能状态下的不同代谢模式。

不同激活状态的 T 细胞表现出完全不同的代谢模式。谷氨酰胺是T细胞激活和发挥功能所必需的,因此,谷氨酰胺缺乏抑制T细胞增殖和细胞因子的产生[22]。有意思的是,体外 T 细胞活化过程中谷氨酰胺限制促进记忆性 CD8+ T 细胞的分化,抑制谷氨酰胺代谢也阻止体内CD8+ T细胞的耗竭[23]。最近的研究揭示了相关机制,效应性CD8+T细胞通过线粒体酶异柠檬酸脱氢酶2(IDH2)还原性羧化谷氨酰胺,产生一系列代谢产物,从表观遗传学上将 CD8+ T 淋巴细胞锁定到末端效应器分化程序。因此,阻断这一代谢途径可以增加记忆性 T 细胞的形成[24] 。

CD4+T 细胞包含许多细胞亚群,其中 Th1 亚群具有显著的抗肿瘤活性,而调节性 T 细胞(Treg)亚群具有强大的免疫抑制作用。 外源性营养可调节CD4+ T 细胞分化为不同的亚群。 谷氨酰胺缺乏的条件下初始 CD4+ T 细胞分化 为Treg,而添加中间产物α-KG的类似物则促进向 Th1亚群分化[25] 。此外,谷氨酰胺代谢还通过表观遗传学机制调控 CD4+T 细胞的命运和功能。 α-羟基戊二酸(2 -HG) 的增加对 Th17 细胞的命运决定至关重要。 抑制谷氨酸转化为 α-KG阻止了 2-HG 的产生,通过减少 FOXP3 基因位点的甲基化,导致 Th17 细胞分化为 Treg[26] 。 尽管 GLS缺乏减少了初始 T 细胞的活化和增殖并损害了Th17 细胞的分化,但 GLS 的缺失促进 Th1 细胞和CD8+T 细胞的分化和效应功能[27] 。因此,谷氨酰胺代谢在促进 Th17 细胞和限制 Th1 细胞分化方面具有不同的作用。

树突状细胞(DC)是重要的抗原呈递细胞,在维持适应性免疫反应中发挥重要作用。 最近的研究发现, 肿瘤细胞与 I 型经典 DC(type I classic DC cell, cDC1)共同争夺肿瘤微环境中的谷氨酰胺[28]。肿瘤细胞和cDC1 通过转运蛋白SLC38A2 竞争谷氨酰胺摄取,以调节抗肿瘤免疫。作为失利的一方, cDC1缺乏谷氨酰胺,导致其抗原提呈能力减弱,无法有效激活抗肿瘤的 T 细胞[28] 。

自然杀伤(NK) 细胞属于免疫系统的细胞毒性淋巴细胞,能够杀死肿瘤细胞。研究表明,在谷氨酰胺缺乏的条件下,活化的 NK 细胞中氧化磷酸化和糖酵解显著减少, γ干扰素(IFN-γ)的产生受到明显抑制。 抑制谷氨酰胺分解代谢明显影响肿瘤细胞,但不影响NK 细胞[29]。这项研究证明了谷氨酰胺代谢对 NK细胞活化的重要性。

肿瘤微环境中的免疫抑制细胞还包括肿瘤相关巨噬细胞(TAM)和髓源抑制细胞(MDSC)等。谷氨酰胺代谢通过促进 TCA 循环在 TAM极化中发挥关键作用,抑制谷氨酰胺合成酶能使抑制性的M2 型 TAM 极化为炎症性的 M1 型 TAM,并防止肿瘤转移[30] 。最近的研究显示,化疗导致巨噬细胞分泌白介素(IL)-18,进而上调骨肉瘤细胞中氨基酸转运体LAT2,显著提高谷氨酰胺和亮氨酸的摄取, 激活 mTORC1 和 c - Myc介导的CD47转录,抑制巨噬细胞对肿瘤细胞的吞噬作用,导致免疫逃逸[31]。另一项研究显示,肾透明细胞癌的谷氨酰胺代谢导致肿瘤微环境中巨噬细胞分泌IL-23,IL-23促进 Treg 的免疫抑制功能,从而促进肾透明细胞癌的进展和转移[32] 。此外,肿瘤微环境中 MDSC 的产生依赖于谷氨酰胺水解,但不受葡萄糖缺乏的影响。谷氨酰胺代谢不仅通过 α-KG进MDSC扩增,而且通过谷氨酸-NMDA受体轴调控 MDSC 的抑制功能[33] 。

临床标本的检测也表明了肿瘤组织中谷氨酰胺代谢和免疫逃逸的相关性。在基底样乳腺癌患者中,谷氨酰胺代谢相关基因与 T 细胞的细胞毒性标志物之间呈负相关,谷氨酰胺代谢增加与 T 细胞的细胞毒性降低及更差的生存率相关[34] 。 另一项大型乳腺癌患者队列研究也显示,肿瘤组织中高水平的谷氨酰胺转运体与程序性死亡-1(PD-1)、 程序性死亡配体-1 (PD -L1)、FOXP3 和 CD68的表达水平相关,并与患者的不良预后相关[35]。空间多组学分析人胃癌组织代谢重编程发现,谷氨酰胺在肿瘤组织中被过度利用,其在肿瘤周围淋巴组织中的含量表现出显著降低[36] 。