● 期刊：Science
● IF=41.037
● 發(fā)表時(shí)間：2019-11-07
研究背景
癌細(xì)胞具有巨大的合成代謝和能量需求，癌細(xì)胞通過糖酵解途徑將葡萄糖代謝為乳酸時(shí)，谷氨酰胺聚糖為三氯乙酸循環(huán)提供燃料，產(chǎn)生代謝中間體作為脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸的構(gòu)建，這些物質(zhì)對(duì)合成代謝生長和增殖至關(guān)重要。
有科學(xué)家推測(cè)，阻斷谷氨酰胺代謝，說不定就能抑制腫瘤的生長，甚至能夠解除腫瘤對(duì)免疫系統(tǒng)的壓制。
之前有研究表明一種叫做DON的藥物，能有效抑制那些使用谷氨酰胺的酶，從而讓癌細(xì)胞無法利用谷氨酰胺。
這樣一來，癌細(xì)胞就會(huì)被“餓死”。
然而一系列臨床試驗(yàn)表明，這種藥物的毒副作用極大，DON不僅能影響癌細(xì)胞，還能影響正常細(xì)胞。
此次研究發(fā)現(xiàn)，DON的一種前體物質(zhì)JHU083可以在不影響正常細(xì)胞的前提下作用到癌細(xì)胞，從而抑制癌細(xì)胞中的谷氨酰胺。
研究方法
轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、LC-MS/MS、Sea horse
研究過程及結(jié)果
1. JHU083具有很好的抗癌效果
研究團(tuán)隊(duì)在小鼠身上分別接種結(jié)腸癌MC38、淋巴瘤EL-4、結(jié)腸癌CT26和黑色素瘤B16這4種癌細(xì)胞之后，注射JHU083，觀察抗癌效果。
研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于每種測(cè)試的腫瘤類型，JHU083的治療均導(dǎo)致腫瘤生長顯著減少和存活率提高，而且抗癌效果還非常持久。
通過代謝分析后發(fā)現(xiàn)，阻斷谷氨酰胺代謝通過TCA循環(huán)以及糖酵解和相關(guān)途徑抑制了葡萄糖代謝，從而破壞了Warburg效應(yīng)。這種抑制代謝活動(dòng)的同時(shí)伴隨著腫瘤內(nèi)谷氨酰胺和葡萄糖含量的顯著增加，以及腫瘤低氧的降低。這些發(fā)現(xiàn)表明，阻斷谷氨酰胺代謝可嚴(yán)重破壞腫瘤的代謝，對(duì)腫瘤微環(huán)境(TME)內(nèi)的營養(yǎng)環(huán)境有顯著影響。
2. 阻斷谷氨酰胺代謝會(huì)增強(qiáng)免疫治療的療效
由于JHU083治療改善了TME，接下來要確定阻斷谷氨酰胺代謝是否會(huì)增強(qiáng)免疫治療的療效。為了消除阻斷谷氨酰胺代謝對(duì)淋巴細(xì)胞功能帶來的損害，因此在開始過繼細(xì)胞轉(zhuǎn)移（ACT）免疫治療之前進(jìn)行代謝治療。
在過繼轉(zhuǎn)移活化的OVA特異性OTI T細(xì)胞之前，將含有表達(dá)OVA的B16黑色素瘤的小鼠用JHU083預(yù)處理3天。經(jīng)治療的小鼠顯示出腫瘤控制和存活的改善，表明谷氨酰胺阻斷可以調(diào)節(jié)TME以增強(qiáng)ACT。
接下來，將谷氨酰胺靶向療法與PD-1檢查點(diǎn)免疫療法相結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)，同時(shí)給予谷氨酰胺拮抗劑和抗PD-1治療的荷瘤小鼠顯示出顯著改善的抗腫瘤效果，在MC38模型中完全緩解率接近100%。
阻斷谷氨酰胺代謝并不會(huì)使抗腫瘤免疫細(xì)胞代謝失活，相反，似乎顯著增強(qiáng)了它們的功能和效果。為了確定單獨(dú)阻斷谷氨酰胺代謝也能增強(qiáng)內(nèi)源性抗腫瘤反應(yīng)，用JU083單一療法對(duì)的小鼠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明JHU083單藥引起的谷氨酰胺阻斷，不需要額外的免疫治療，可顯著增強(qiáng)內(nèi)源性抗腫瘤免疫，更普遍的是，腫瘤免疫排斥反應(yīng)和適應(yīng)性免疫記憶可通過這種代謝干預(yù)單獨(dú)觸發(fā)。
3. JHU083治療通過影響浸潤性CD8+T細(xì)胞，增強(qiáng)抗腫瘤反應(yīng)
為了進(jìn)一步研究JU083單一療法增強(qiáng)抗腫瘤反應(yīng)的機(jī)制，檢測(cè)了載藥和JU083治療的小鼠的腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞（TIL）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，JU083治療后浸潤性CD8+T細(xì)胞顯著增加，并且這些TIL中有更大比例是抗原特異性的。
RNA測(cè)序后發(fā)現(xiàn)，治療組和未治療組小鼠TIL的顯著差異，二者之間有4313個(gè)基因的表達(dá)存在顯著差異?；蚣患治觯?/span>GSEA）顯示，來自治療小鼠的浸潤性CD8+T具有高增殖性，這些變化也影響到相應(yīng)蛋白質(zhì)表達(dá)水平。
分析后還發(fā)現(xiàn)，PD-1和LAG-3這倆免疫檢查點(diǎn)雙陽性的T細(xì)胞比例低，IFNγ升高、顆粒酶B和IL-2等抗癌物質(zhì)升高等特點(diǎn)。
此外，研究人員還觀察到，與長壽記憶T細(xì)胞相關(guān)的基因表達(dá)升高，與凋亡有關(guān)的基因表達(dá)顯著降低。這些結(jié)果表明，谷氨酰胺阻斷能以細(xì)胞固有的方式激活T細(xì)胞，使其向高度激活、長壽、記憶樣分化狀態(tài)發(fā)展。
4. JHU083是通過影響代謝發(fā)揮作用
代謝流分析顯示，阻斷谷氨酰胺可抑制癌細(xì)胞和活化CD8+ T細(xì)胞的有氧糖酵解。在DON處理的T細(xì)胞中，代謝程序的變化與線粒體蛋白TOMM20，CPT1α和VDAC1的上調(diào)有關(guān)。并且T細(xì)胞中有利于氧化磷酸化（OXPHOS）而不是Warburg效應(yīng)的功能變化與T細(xì)胞記憶表型的代謝特征一致。
另外還發(fā)現(xiàn)DON處理的T細(xì)胞抑制了長鏈脂肪酸，丙酮酸和谷氨酰胺的線粒體運(yùn)輸，但仍保持著顯著的OXPHOS水平。在谷氨酰胺阻斷的情況下，T細(xì)胞利用乙酸作為TCA循環(huán)的碳源具有顯著的能力。
相比之下，DON處理的MC38細(xì)胞下調(diào)了醋酸代謝酶，并顯示在TCA中間產(chǎn)物（圖3、H和I）中的13C標(biāo)記的醋酸結(jié)合最少。
因此，在谷氨酰胺阻斷期間，乙酰輔酶A的生成在MC38和CD8 T細(xì)胞中相互影響。
5. 谷氨酰胺阻斷后，CD8+T細(xì)胞，通過上調(diào)葡萄糖補(bǔ)體來補(bǔ)充TCA中間產(chǎn)物
高度增殖的細(xì)胞通常通過谷氨酰胺代謝或谷氨酰胺分解來促進(jìn)回補(bǔ)，谷氨酰胺分解在TCA循環(huán)中通過谷氨酰胺酶（GLS）活性補(bǔ)充α-酮戊二酸。
谷氨酰胺對(duì)TCA中間體的貢獻(xiàn)在DON處理的T細(xì)胞和MC38細(xì)胞中被抑制，但丙酮酸生成草酰乙酸酯的丙酮酸羧化酶(PC)會(huì)通過葡萄糖補(bǔ)充TCA中間體。
通過穩(wěn)定同位素示蹤研究發(fā)現(xiàn)，DON處理的T細(xì)胞在葡萄糖代謝方面表現(xiàn)出顯著的靈活性，因?yàn)樗鼈兡軌蛲ㄟ^PC介導(dǎo)的修復(fù)作用上調(diào)葡萄糖衍生碳作為乙酰輔酶A和草酰乙酸進(jìn)入TCA。
因此，DON處理的T細(xì)胞(和GLS抑制的MC38細(xì)胞)中葡萄糖碳進(jìn)入TCA循環(huán)的模式，包括檸檬酸、蘋果酸、天冬氨酸和檸檬酸中M+5同位素增加，表明PC活性增強(qiáng)。
但DON處理的MC38細(xì)胞不能為TCA周期提供葡萄糖衍生代謝物或維持Warburg效應(yīng)，可能是由于DON對(duì)這些細(xì)胞中近端糖酵解代謝的抑制作用，并且DON處理的MC38癌細(xì)胞表現(xiàn)出葡萄糖攝取減少和早期糖酵解中間產(chǎn)物水平降低。
T細(xì)胞對(duì)DON處理的代謝適應(yīng)（包括上調(diào)的醋酸代謝和PC活性）使它們能夠維持細(xì)胞的AMP/ATP比率，而MC38細(xì)胞無法進(jìn)行能量補(bǔ)償，導(dǎo)致AMP/ATP比率顯著增加和AMP激酶的強(qiáng)力激活。
文章結(jié)論
總之，研究表明，對(duì)于癌細(xì)胞來說，糖酵解、氧磷和谷氨酰胺代謝之間的相互依賴缺乏可塑性，因此針對(duì)谷氨酰胺代謝阻斷會(huì)導(dǎo)致廣泛的代謝抑制、NADP（H）穩(wěn)態(tài)的破壞和生長受阻。相反，在T細(xì)胞中抑制谷氨酰胺代謝會(huì)導(dǎo)致適應(yīng)性代謝重編程，從而增強(qiáng)生存，增殖和效應(yīng)子功能。
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