田 靜，佘 威，胡雪寧，王 爽，崔 瑩，林冬靜

(吉林醫(yī)藥學(xué)院：a.臨床醫(yī)學(xué)院,b.腫瘤靶向治療與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)重點實驗室，吉林 吉林 132013)

2020年，世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構(gòu)發(fā)布全球最新癌癥負擔(dān)數(shù)據(jù)，我國癌癥負擔(dān)新發(fā)人數(shù)占全球23.7%[1]，遠超其他國家，綜合干預(yù)和靶向治療仍是癌癥研究的重點。

在腫瘤微環(huán)境(tumour microenvironment，TME)中，細胞代謝是維持活力和功能的關(guān)鍵因素，可作為腫瘤靶向治療的重要方向。腫瘤細胞強烈依賴葡萄糖酵解途徑獲取能量。在代謝過程中，大量的氧化中間產(chǎn)物的積累導(dǎo)致戊糖磷酸活性升高，同時核糖五磷酸的產(chǎn)量大幅度提升，從而加速癌細胞的分裂。癌細胞快速生長消耗大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)，使大量乳酸堆積，它有能力在這種低氧、酸性微環(huán)境中生長，可能耗盡周圍大量浸潤免疫細胞所需要的關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)，抑制免疫檢查點對癌細胞的破壞[2]。在研究肺腺癌組織標(biāo)本時，發(fā)現(xiàn)了腫瘤微環(huán)境中腫瘤細胞與免疫細胞相互調(diào)節(jié)機制[3]。

線粒體代謝為細胞代謝網(wǎng)絡(luò)核心，如氧化磷酸化、三羧酸循環(huán)及氨基酸代謝等代謝過程都位于線粒體內(nèi)。線粒體ROS家族的產(chǎn)生和氧化還原反應(yīng)再平衡，對癌細胞增殖和侵襲起著刺激作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，代謝能力與免疫水平呈正相關(guān)，T細胞的持久性隨著線粒體生物量和備用呼吸能力的增加而增加，二者的增加為防止癌細胞的復(fù)發(fā)和根除癌細胞提供了必要的生物能量優(yōu)勢[4]。

本綜述旨在討論線粒體變化對TME中腫瘤細胞與免疫細胞代謝的影響，進而分析腫瘤細胞代謝重編程和抗腫瘤免疫反應(yīng)的聯(lián)系，前者如何調(diào)節(jié)后者將為抗腫瘤免疫治療中以線粒體為目標(biāo)靶點研究提供參考。

1 TME中腫瘤細胞和免疫細胞代謝主要特征

TME是指腫瘤發(fā)生、生長、轉(zhuǎn)移與腫瘤細胞所在的復(fù)雜的內(nèi)外環(huán)境，包含多種細胞和其他成分。腫瘤細胞利用葡萄糖酵解成乳酸，也被視為“代謝的重新編程”，擁有六大特性[5]：葡萄糖和氨基酸的攝取、失常；養(yǎng)分獲得路徑的投機性；利用糖酵解中間路徑所形成的產(chǎn)物合成蛋白質(zhì)、核酸及脂類；氮源供給增加；代謝產(chǎn)物啟動基因表達失控；代謝產(chǎn)物與TME相互效用。

腫瘤細胞代謝異常突出體現(xiàn)為葡萄糖代謝的異常，尤其是三個與糖酵解關(guān)鍵酶(己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶)活性加強與同工酶譜的變更、糖異生關(guān)鍵酶活力下降有關(guān)。糖酵解許多中間路徑所形成產(chǎn)物被腫瘤細胞應(yīng)用，導(dǎo)致生成蛋白質(zhì)、核酸和脂類增加，進而加速了腫瘤細胞的增進。另外，谷氨酰胺是人體血漿中含量最豐富的氨基酸，為嘌呤、嘧啶核苷酸的合成提供氮源，參與核苷酸生物合成，是谷胱甘肽合成必不可少的原料，參與維持ROS穩(wěn)定。腫瘤細胞中谷氨酰胺的攝取和分解代謝顯著增強，存在“谷氨酰胺依賴”現(xiàn)象[6]。

TME內(nèi)有免疫激活細胞群和炎性細胞群，還有免疫抑制細胞群(表1)[5]。這些細胞可以通過分泌細胞因子和擾亂代謝，抑制或消除抗腫瘤效應(yīng)細胞的功能(圖1)[5]。

圖1 TME中的癌細胞和免疫抑制代謝

表1 TME中的免疫細胞類型、功能及代謝

TME中腫瘤和基質(zhì)細胞乳酸分泌的增加，加快了腫瘤細胞的增進，調(diào)整了調(diào)節(jié)性T細胞(regulatory T cell，Treg)免疫機制，進而促進了腫瘤細胞隱匿免疫抑制。免疫細胞在增長、分化、執(zhí)行效應(yīng)器功能中會發(fā)生代謝的重新編程，對免疫應(yīng)答起決定性效用[6-7]。腫瘤細胞通過排放代謝的產(chǎn)物(乳酸、PGE2、精氨酸等)影響免疫分子，比如細胞外囊泡向免疫細胞遠距離釋放精氨酸1，進而影響精氨酸代謝，從而達到降低機體抗腫瘤免疫反應(yīng)的作用[8]。腫瘤細胞、Treg細胞通過強化免疫細胞磷脂酶A2-IVA表達，指引免疫細胞脂質(zhì)代謝的重新編程與老化，從而減少了對腫瘤細胞的阻抑，減低抗腫瘤免疫應(yīng)對[9]。

2 線粒體對腫瘤細胞和免疫細胞代謝的影響

在腫瘤發(fā)生進展過程中，糖代謝、脂肪酸代謝及氨基酸代謝異常[10]。同時，線粒體代謝性產(chǎn)物也對免疫細胞的代謝產(chǎn)生影響(圖2)[5]。腫瘤細胞中異常水平的ROS會破壞線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)，進而影響線粒體膜呼吸鏈與生產(chǎn)腺苷三磷酸酶系統(tǒng)的正常進行，ROS水平的急劇上升導(dǎo)致線粒體功能加速被破壞，從而導(dǎo)致腫瘤細胞通過糖酵解途徑獲取腺苷三磷酸(ATP)，發(fā)生代謝重編程[11]。

圖2 TME中不同類型免疫細胞線粒體代謝特征

2.1 線粒體代謝改變

2.1.1糖代謝

腫瘤細胞特有的代謝產(chǎn)物為其蛋白質(zhì)、核酸、脂類的合成與代謝提供原料，進而促進了腫瘤細胞存活，如糖酵解中間產(chǎn)物3-磷酸甘油和丙酮酸可用于合成非必需氨基酸[12]。另外，腫瘤細胞通過糖酵解會產(chǎn)生大量的乳酸，被釋放到細胞外后，形成了有利于侵襲性高的腫瘤細胞生長繁殖的局部酸性微環(huán)境，還可通過抑制腫瘤免疫來達到促進腫瘤發(fā)展的目的[13]。有學(xué)者以小鼠為研究對象，發(fā)現(xiàn)抗腫瘤CD8+T細胞的效應(yīng)表達與葡萄糖的可獲得性成正比，而抗腫瘤CD4+T細胞的葡萄糖攝取和功能表達與腫瘤細胞的糖酵解活性成反比[14]。

2.1.2脂肪酸代謝

早在胚胎發(fā)育時脂肪酸的從頭合成就很活躍，但大部分正常細胞會選擇優(yōu)先利用外源的脂肪酸合成功能性脂類。與之不同的是，外源脂肪酸的水平無論高低都不會影響腫瘤細胞進行大量內(nèi)源性脂肪酸的合成。檸檬酸裂解酶促進線粒體中檸檬酸轉(zhuǎn)化成細胞基質(zhì)中的乙酰輔酶A，從而促進脂肪生成，來維持腫瘤的生長。腫瘤細胞中脂肪酸從頭合成增強通過誘導(dǎo)內(nèi)源性ATP檸檬酸裂合酶活性，促進了B細胞增殖、分化和抗體的分泌[15]。

2.1.3氨基酸代謝

谷氨酰胺是血漿中最多的氨基酸，其代謝是否活躍直接決定了腫瘤細胞氨基酸代謝。在線粒體功能障礙或缺氧甚至無氧的條件下，腫瘤細胞對谷氨酰胺的吸收與代謝異?；钴S，大概是其他氨基酸的10倍，生成α-酮戊二酸，為嘌呤、嘧啶和DNA的合成提供氮，為脂質(zhì)合成和腫瘤細胞快速增殖提供原料[16]。此外谷氨酰胺也被免疫細胞充分利用，特別是支持淋巴細胞和巨噬細胞的免疫反應(yīng)。谷氨酰胺的缺乏可使T細胞的增殖和細胞因子的產(chǎn)生受到抑制[17]，這也暗示了腫瘤微環(huán)境中高氨基酸含量可增強免疫細胞的殺傷作用。

2.2 線粒體結(jié)構(gòu)異常

2.2.1mtDNA的突變

線粒體基因組是一個小的環(huán)狀DNA分子，在每個線粒體的基質(zhì)中mtDNA復(fù)制與細胞周期無關(guān)，可以多次進行。由于沒有核膜包被暴露在基質(zhì)中，缺乏保護的同時線粒體中缺乏DNA修復(fù)系統(tǒng)，所以mtDNA與核基因相比來說發(fā)生突變的概率更大，受損后序列發(fā)生改變，造成編碼蛋白構(gòu)象改變，線粒體功能發(fā)生障礙。對腫瘤mtDNA的檢測中發(fā)現(xiàn)，在結(jié)腸癌、乳腺癌、肝癌、肺癌等多種腫瘤中均有mtDNA突變發(fā)生，其中mtDNA拷貝數(shù)的變化與腫瘤類型有關(guān)，小細胞肺癌mtDNA突變引起了能量代謝改變[18]。

2.2.2線粒體膜穩(wěn)定性

線粒體膜穩(wěn)定性對細胞凋亡以及腫瘤的發(fā)生發(fā)展有著較大影響。線粒體外膜上有Bcl-2蛋白和電壓依賴性陰離子通道(voltage-dependent anion channel,VDAC)蛋白，前者是從濾泡B細胞瘤中獲得的第一個抗凋亡蛋白，后者主要負責(zé)線粒體和細胞質(zhì)之間代謝物質(zhì)流通。研究發(fā)現(xiàn)Bcl-2家族蛋白可通過維持VDAC的開放狀態(tài)來影響線粒體外膜的穩(wěn)定性，從而抑制凋亡的發(fā)生[19]。線粒體的形態(tài)控制著T細胞的代謝，并可通過增強T細胞識別從而破壞腫瘤細胞。激活的效應(yīng)T細胞擁有分裂的線粒體，而記憶T細胞維持它們的線粒體為融合網(wǎng)狀物[20]。這證實了線粒體結(jié)構(gòu)對調(diào)節(jié)免疫細胞新陳代謝至關(guān)重要。

2.2.3線粒體ROS紊亂

ROS以超氧化物和羥基自由基以及過氧化氫的形式，在生理狀態(tài)下由物質(zhì)代謝反應(yīng)產(chǎn)生。各個氧化代謝中的ROS可通過氧化丙酮酸激酶M2來驅(qū)動戊糖途徑的通量，增加谷胱甘肽的水平，促進腫瘤細胞發(fā)生發(fā)展。細胞ROS產(chǎn)生的主要位點是線粒體復(fù)合物Ⅰ和Ⅲ，與此同時，線粒體也是其損傷位點之一。例如，它們攻擊線粒體膜和靠近它們形成地方的mtDNA，這導(dǎo)致線粒體功能障礙和更多的ROS產(chǎn)生。Maillet等發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌動物模型中，能夠通過ROS依賴途徑，引起線粒體形態(tài)和功能的一系列改變，從而觸發(fā)腫瘤細胞凋亡，抑制腫瘤生長[21]。

2.2.4線粒體鈣離子紊亂

線粒體中含有大量的Ca2+，并且控制細胞內(nèi)鈣離子的吸收和攝取。線粒體Ca2+信號與細胞生長和代謝密切相關(guān)，通過激活TCA循環(huán)的多種成分(IDH、aKGDH和PDH)構(gòu)成存活前機制，從而為電子傳遞鏈和ATP產(chǎn)生提供能量[22]。減少線粒體Ca2+轉(zhuǎn)移可以使瘤細胞避免凋亡，但線粒體Ca2+攝取的減少仍然能夠激活TCA循環(huán)，使供給電子傳遞鏈的減少當(dāng)量的產(chǎn)生變得平滑，并維持足夠的ATP以滿足細胞需求[23]。乳腺癌、結(jié)腸癌、胃癌細胞中Ins P3R表達顯著增多，導(dǎo)致線粒體Ca2+超載，腫瘤細胞代謝紊亂，抑制了細胞凋亡的發(fā)生，促進了腫瘤的增殖和存活[24]。但線粒體鈣穩(wěn)態(tài)失衡影響腫瘤發(fā)生發(fā)展的具體作用機制目前仍不清楚。

3 靶向腫瘤線粒體是干預(yù)熱點

線粒體是細胞的“動力工廠”，作為很多藥物或毒物靶細胞器，可以有效提高藥物的治療效果?？茖W(xué)家進一步探究以線粒體為靶點的藥物與抗腫瘤之間的作用機制。目前已有一些靶向線粒體代謝的抗腫瘤藥物在臨床或臨床前開發(fā)中，如WZB117和紫杉醇或順鉑聯(lián)合治療可以發(fā)揮協(xié)同抗腫瘤作用。這類藥物的作用機理是阻斷葡萄糖轉(zhuǎn)運，通過阻斷葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1活性，減少細胞內(nèi)葡萄糖的轉(zhuǎn)運效率，降低腫瘤內(nèi)糖酵解的代謝[25]，進而逆轉(zhuǎn)腫瘤細胞的高糖酵解狀態(tài)，阻止腫瘤細胞攝取葡萄糖。某些腫瘤細胞鈉-葡萄糖轉(zhuǎn)運體2(sodium glucose transporter 2，SGLT2)水平明顯增高，采用FDA批準(zhǔn)的小分子抑制劑靶向SGLT2降低血糖水平，可以降低肺腺癌小鼠模型腫瘤的生長，延長生存時間[26]。另一種藥物是P-糖蛋白，它是一種具有ATP結(jié)合域的單向轉(zhuǎn)運跨膜蛋白[27]，這個藥物主要通過水熱合成法、薄膜分散法構(gòu)建了線粒體靶向，應(yīng)用ATP水解釋放能量將藥物主動排出，進而避免了細胞內(nèi)藥物濃度過高，解決了腫瘤細胞的耐藥性。這一系列研究表明靶向腫瘤線粒體可以有效地提高藥物對腫瘤細胞的毒性以及改善藥物的活性，同時靶向腫瘤線粒體可以有效地克服藥物的耐藥性。

4 總結(jié)與展望

腫瘤細胞可通過物質(zhì)代謝抑制機體抗腫瘤免疫反應(yīng)；而小分子抑制劑可促進T細胞增殖，減輕髓樣細胞介導(dǎo)的免疫逃逸，抑制腫瘤生長。在探究腫瘤細胞和免疫細胞的相互作用時，線粒體靶向治療的研究與發(fā)現(xiàn)無疑是這場腫瘤生態(tài)系統(tǒng)中代謝競爭的“關(guān)鍵一物”。研究線粒體對腫瘤細胞代謝以及免疫細胞的影響機制，對線粒體與二者之間的相互關(guān)系做出探討。研究發(fā)現(xiàn)腫瘤及免疫細胞代謝與線粒體代謝、結(jié)構(gòu)的改變密切相關(guān)，當(dāng)線粒體處于不同糖代謝、脂肪酸代謝、氨基酸代謝的變化時，二者的代謝過程也隨之發(fā)生不同的改變。同時，隨著線粒體中Ca2+穩(wěn)態(tài)的改變，ROS水平與腫瘤細胞增殖代謝高度聯(lián)系。因此，在個體化治療基礎(chǔ)上，線粒體能量代謝特征與腫瘤細胞代謝特征不容小覷，靶向腫瘤線粒體作為腫瘤細胞的“十環(huán)之靶心”更為腫瘤細胞免疫治療機制提供新的策略方法。