CELL重磅:肥胖影响免疫控制加速肿瘤生长

  • 来源:生物谷
  • 时间: 2021/2/22 17:00:00
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    肥胖,作为一种全世界范围的“流行病“,其本质是一种慢性代谢性疾病。研究显示,肥胖除可造成心血管负担外,还被证实至少是13种癌症(肺癌、肝癌、胰腺癌、甲状腺癌、黑色素瘤、结直肠癌、乳腺癌等)的危险因素。以往研究多集中在肿瘤细胞本身及内分泌系统肿瘤细胞调节轴上。然而,肥胖引起的全身性代谢变化如何影响局部肿瘤微环境(TME)中免疫细胞,如何进一步影响肿瘤生长的内在机制尚不清楚。

    2020年12月,来自哈佛医学院的研究团队在CELL(IF=38.637)上在线发表了题为“Obesity Shapes Metabolism in the Tumor Microenvironment to Suppress Anti-Tumor Immunity”的研究论文。作者利用代谢组学、蛋白组学和基因组学技术对高脂饮食(HFD)小鼠肿瘤组织进行分析,揭示肥胖损害小鼠肿瘤微环境中CD8+T细胞数量和抗肿瘤活性,进而加速肿瘤生长。

    研究材料:CD、HFD小鼠MC38肿瘤模型 血浆和肿瘤组织(肿瘤细胞和间质液)

    技术方法:蛋白组学、代谢组学(靶向脂质组学、靶向代谢组学)、基因组学

    实验方法简介:

    步骤1:构建HFD模型,揭示HFD影响肿瘤生长

    步骤2:单细胞测序,绘制肿瘤免疫浸润的整体代谢变化谱

    步骤3:多种组织成像揭示HFD组肿瘤独特代谢重塑过程

    步骤4:多组学揭示HFD肿瘤细胞对脂肪酸的摄取和氧化特征,并筛选潜在干预靶点

    步骤5:动物实验证实PHD3的作用机制及其作为治疗靶点的潜在可行性

    主要研究结果:

    1.表型分析:HFD以CD8+T细胞依赖性方式加速MC38肿瘤生长

    首先,作者利用C57野生小鼠构建随意控制饮食(CD)和高脂饮食(HFD)模型,喂食8-10周后观察到明显肥胖相关代谢变化。接着,作者对模型小鼠注射同系MC38大肠癌细胞,建立高度免疫原性大肠癌肿瘤模型。结果显示,HFD组肿瘤生长较快,且饮食相关的肿瘤生长差异依赖CD8+T细胞存在,当清除体内CD8+T细胞后,不同饮食组肿瘤生长无差异。

    图1. 高脂饮食抑制肿瘤内CD8+T细胞数量和功能

    令人惊讶的是,HFD单纯影响了肿瘤微环境中CD8+T细胞数量,而机体其他部位的CD8+T细胞并未受到影响。此外,肿瘤微环境(TME)中活性减低的残存CD8+T细胞离体培养后活性恢复,提示肿瘤中某些成分损害了CD8+ T细胞功能。

    2.单细胞测序:绘制肿瘤免疫浸润的整体代谢变化谱

    接着,作者对不同组肿瘤浸润的CD45+白细胞进行单细胞RNA-seq,通过无监督聚类分析发现16个不同集群。其中,HFD组淋巴细胞明显减少,而免疫抑制性骨髓细胞群比例无明显变化。为进一步确定HFD引起的整体代谢变化,作者对所有细胞进行基因注释(61个KEGG代谢基因),发现HFD组肿瘤中白细胞富集了脂肪和胆固醇代谢的多种途径。HFD组肿瘤TME中免疫细胞出现独特代谢适应过程(T细胞差异显著),表明重要碳代谢途径发生显著变化。

    图2. 单细胞测序显示肿瘤免疫浸润的整体代谢重塑

    3.多重成像揭示HFD组肿瘤独特代谢重塑过程

    为确定肥胖是否影响肿瘤浸润淋巴细胞(TILs)在TME中位置,及其是否与肿瘤内代谢生态位变化相关。作者利用循环免疫荧光技术(CyCIF)对TME中细胞位置和形态进行绘制。结果显示,HFD组肿瘤中CD8+和CD4+T细胞与糖酵解标记物GLUT1之间重叠减少,换言之,CD8+T细胞可能被排除在GLUT1高表达区域之外。以上提示HFD改变了肿瘤内的代谢生态位互作,影响了局部T细胞浸润模式。

    图3. 多重成像揭示HFD肿瘤的代谢重塑

    4.多组学揭示HFD肿瘤细胞对脂肪酸的摄取和氧化特征

    作者利用TMT蛋白组学对不同组肿瘤中分选的GFP+细胞进行分析,共鉴定到7178种蛋白质。结果显示,相比于CD组,HFD组脂肪酸代谢和氧化磷酸化途径富集;IFNg反应降低,这可能因为CD8+T细胞浸润减少导致。进一步分析显示,HFD通过诱导转运蛋白(SCL27A1)、脂肪酸合成蛋白(FABP5)和线粒体β氧化涉及蛋白(CPT1A、ACSM3、ACADVL、ETFB和ECHS1)来增加脂肪酸利用。而催化不可逆/或限速步骤的糖酵解酶明显下调。

    作者利用靶向脂质组学分析小鼠血浆和肿瘤区室(GFP+MC38肿瘤细胞和肿瘤间质液TIF)内脂质组成,发现HFD组血浆和TIF中脂质利用率显著变化、且两者存在正相关,表明TIF成分主要反映了循环内脂质水平。进一步分析发现,甘油三酯(TAG)和甘油二脂(DAG)在TIF显著富集,而在血浆中无富集。接着,作者测量了肿瘤裂解液和心脏中脂蛋白脂肪酶(LPL)活性,发现其在肿瘤微环境中活性升高。以上提示HFD肿瘤富含脂质微环境,具有局部脂肪酶活性,促进肿瘤细胞摄取。

    图4. 蛋白水平分析证实HFD肿瘤细胞增强了脂肪酸的摄取和氧化

    为检验肿瘤细胞中PHD3(肥胖组癌细胞中表达降低)表达是否调节游离脂肪酸(FFA)的局部可用性,作者利用靶向代谢组学测量MC38肿瘤血浆和TIF中FFA。结果显示FHD增加了包括棕榈酸和油酸(C16:0和C18:1)在内的许多FFA循环水平,且TIF中局部FFA水平发生下降。提示FFA在HFD肿瘤TME中具有独特作用,局部的代谢重编程会影响FFA利用率。

    5.动物实验:肿瘤细胞PDH3过表达促进CD8+T细胞增殖

    PHD3,被证实在正常细胞中抑制脂肪过度活化的蛋白质。为确定改变MC38肿瘤细胞中PHD3表达是否影响CD8+ T细胞对肿瘤控制,作者对CD或HFD小鼠注射了EV转导的PHD3-OE MC38肿瘤细胞。结果显示,PHD3过表达降低了HFD组肿瘤吸收脂肪的能力,恢复了TME中关键游离脂肪酸的可用性。此外,PHD3过表达显著增加了HFD组肿瘤组织中CD8+ T细胞浸润,进而影响肿瘤生长。然而,在CD8+T细胞缺失小鼠中,PHD3过表达对肿瘤生长无显著影响。随后,作者进一步又分析了人类肿瘤数据库,发现PHD3的低表达与“冷”肿瘤(免疫细胞减少)相关。进一步证明,肿瘤脂肪代谢的重要性,即肥胖降低了机体对多种癌症的肿瘤免疫反应。

    图5. 调节Phd3表达增加HFD期间CD8+T细胞的浸润并降低肿瘤生长动力学

    小编小结:

    该研究揭示了肿瘤细胞通过改变脂肪酸分配和必要代谢产物局部耗竭对肥胖环境做出适应,进一步导致T细胞功能障碍,加速肿瘤的生长。这凸显了肿瘤局部组织代谢复杂性,并证明肿瘤内细胞群的代谢交换是调节肿瘤生长的免疫控制因素,暗示着肿瘤内的代谢状态可能对治疗结果产生深远影响。本研究为更好地了解肥胖是如何影响癌症以及患者新陈代谢对治疗结果的影响奠定了基础,也为后续肿瘤免疫治疗提供了新的思路。

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