研究團隊發現ICB治療無反應和/或預後較差的CRC患者TME中氨水平升高,氨是CRC中關鍵的免疫抑製廢物。
結直腸癌(CRC)是僅次於肺癌的第二大全球癌症死亡原因[1]。近年來,結腸鏡檢查率的提高促進了結直腸癌的早期發現,提高了結直腸癌患者生存率[2]。然而,有20%的CRC患者在診斷時已經發生轉移,這部分患者的5年總生存率僅為10.5%[3-4]。此外,免疫檢查點抑製劑(ICB)在絕大多數CRC患者中無效[5]。
最近的研究表明,許多CRC的腫瘤微環境(TME)具有免疫抑製作用。TME中缺氧、營養物質缺乏、代謝廢物濃度很高,可導致免疫細胞功能失調。同時,由於腸道菌群產生特定的代謝產物,原發性CRC的代謝失調也受腸道微生物的影響。
宿主和腸道微生物代謝均可產生大量的氨,由於氨對許多細胞有毒性,正常情況下,代謝產生的氨被肝髒處理後通過尿素循環排出體外。值得注意的是,一些癌細胞可以通過吸收氨驅動氨基酸代謝,但是細胞外氨在TME中的作用尚不明確[6]。
近日密歇根大學的Yatrik M Shah教授團隊在Cell Metabolism發表重要研究成果,他們發現結腸腫瘤微環境中有大量氨的積聚,並通過抑製T細胞功能來降低免疫反應。去除微環境中的氨可以重新激活T細胞,抑製腫瘤增長,並使增加腫瘤對免疫治療的敏感性[7]。
ICB治療最近在腎透明細胞癌、黑色素瘤、非小細胞肺癌等實體腫瘤方麵取得了臨床突破,然而在絕大多數CRC中,ICB治療效果不佳。目前廣泛使用的小鼠結直腸癌模型對免疫治療反應較好,與人類結直腸癌的情況存在明顯不同,既往文獻表明,APC、KRAS和TP53基因突變在CRC中更為常見,因此研究團隊在特異性靶向結腸上皮的他莫昔芬誘導CDX2-CreERT2小鼠中分別構建了單基因(Apc,SingleMut)、雙基因(Apc和Tp53,DoubleMut)和三基因突變(Apc、Tp53和Kras G12D,TripleMut)模型。
隨著他莫昔芬劑量增加,小鼠生存時間逐漸縮短。對於接受同等劑量他莫昔芬誘導的小鼠,TripleMut小鼠的平均生存期大約比DoubleMut小鼠短50%。此外,與SingleMut或DoubleMut小鼠相比,TripleMut小鼠的腫瘤數量增加,組織學分級更高,且發生了肺和肝轉移。
TripleMut小鼠的平均生存期更短,腫瘤數量增加,組織學分級更高,且發生遠處轉移
研究團隊接著評估了每個小鼠模型對PD-L1抑製劑的反應。結果顯示,接受PD-L1抑製劑治療後,SingleMut小鼠和DoubleMut小鼠生存率增加,TripleMut小鼠生存率未見明顯提高,表明TripleMut小鼠模型對免疫治療具有耐藥性。
基因集富集分析顯示,與DoubleMut小鼠相比,TripleMut小鼠的適應性免疫和T細胞功能相關通路顯著下調。質譜流式分析顯示,TripleMut小鼠中CD44+/CD45-細胞增加,即腫瘤幹細胞的比例增加。同時,TripleMut小鼠CD45+細胞和CD3+細胞顯著減少,CD4+細胞和CD8+T細胞數量有所減少但不明顯,表達抑製受體CTLA-4和PD-1的CD4+和CD8+T細胞顯著增加。DoubleMut小鼠和TripleMut小鼠中性粒細胞和巨噬細胞無明顯差異。總的來說,這些發現表明TripleMut小鼠整體T細胞更少,且存在更明顯的T細胞功能障礙。
在TripleMut小鼠中,T細胞減少,表達抑製受體的T細胞增加
為了確定DoubleMut和TripleMut小鼠之間差異表達基因所必需的上遊調控因子,研究團隊結合CHIP-SEQ、RNA-SEQ結果,通過生物信息學分析將研究聚焦到與KRAS相關的轉錄因子,最終確定了四個潛在的候選蛋白:GFI、HNF4a、RUNX1和IRF蛋白家族。
分析TCGA數據庫中相關數據集評估HNF4a及其直接靶點(癌性和正常結腸中的OTC)的RNA表達後發現,與正常結腸組織相比,CRC中HNF4a和OTC表達明顯下調。SingleMut、DoubleMut和TripleMut小鼠模型顯示腫瘤上皮中Otc和Hnf4a表達水平也顯著降低,且TripleMut小鼠中這一改變最明顯。
由於發現了Hnf4a、Otc和其他氨相關基因的下調,研究團隊評估了CRC中氨的積聚情況,與DoubleMut相比,TripleMut小鼠結腸上皮氨染色顯著增加,質譜分析進一步驗證了這一發現。
研究團隊還發現,在三種胃腸道癌症(結腸癌、胃癌和肝細胞癌)中,氨相關基因表達與生存率降低相關,且這一特征存在胃腸道特異性。
這些結果表明,小鼠和人類結直腸癌中氨代謝失調導致瘤內氨積聚,可通過氨相關基因表達情況對結直腸癌患者進行預後分層。
由於前期研究結果表明,TripleMut小鼠整體T細胞更少,且存在更明顯的T細胞功能障礙,研究團隊接著探索了腫瘤微環境中氨的積聚對T細胞的影響。
研究團隊分離了野生型小鼠T細胞,在體外用氨處理後進行靶向代謝組學檢測,結果顯示,氨處理後T細胞轉硫途徑失調。在體外和體內氨處理CD4+和CD8+T細胞後,觀察到活性氧(ROS)和脂質過氧化顯著增加,但在CRC細胞係中沒有這一現象。實驗結果表明,高氨水平通過轉硫途徑的失調誘導T細胞氧化應激。
氨通過抑製轉硫途徑誘導T細胞氧化應激
根據上述研究結果,研究團隊嚐試進行氨清除,降低氨水平。鳥氨酸可以通過刺激尿素循環和穀氨酰胺合成來清除氨,在臨床上被應用於高氨血症患者。飲食中添加氨的小鼠接受鳥氨酸治療後,血清氨顯著降低,T細胞增殖增加,T細胞功能恢複。
另外,鳥氨酸治療顯著抑製CRC模型小鼠腫瘤生長,腫瘤Ki67的表達和氨水平顯著降低,CD44+腫瘤幹細胞減少,CD4+和CD8+T細胞增加。
確認降低氨水平可以挽救CRC小鼠模型中氨驅動的T細胞功能缺陷後,研究團隊還評估了降低氨水平是否能提高PD-L1抑製劑治療CRC的療效。結果表明,單獨使用PD-L1抑製劑或鳥氨酸不能提高小鼠存活率,但鳥氨酸和PD-L1聯合治療可顯著提高生存率。PD-L1抑製劑和鳥氨酸聯合治療可顯著抑製T細胞衰竭,促進T細胞浸潤。
總的來說,研究團隊發現ICB治療無反應和/或預後較差的CRC患者TME中氨水平升高,氨是CRC中關鍵的免疫抑製廢物。在CRC晚期,OTC和HNF4a表達下調,導致氨積聚,T細胞轉硫調節異常,T細胞衰竭增加,從而導致ICB耐藥。清除氨能夠重新激活T細胞,可以作為提高ICB在CRC中的有效性的新方法。
參考文獻
[1] Sung H, Ferlay J, Siegel RL, et al. Global Cancer Statistics 2020: GLOBOCAN Estimates of Incidence and Mortality Worldwide for 36 Cancers in 185 Countries. CA Cancer J Clin. 2021;71(3):209-249. doi:10.3322/caac.21660
[2] Holt PR, Kozuch P, Mewar S. Colon cancer and the elderly: from screening to treatment in management of GI disease in the elderly. Best Pract Res Clin Gastroenterol. 2009;23(6):889-907. doi:10.1016/j.bpg.2009.10.010
[3] Biller LH, Schrag D. Diagnosis and Treatment of Metastatic Colorectal Cancer: A Review. JAMA. 2021;325(7):669-685. doi:10.1001/jama.2021.0106
[4] Araghi M, Arnold M, Rutherford MJ, et al. Colon and rectal cancer survival in seven high-income countries 2010-2014: variation by age and stage at diagnosis (the ICBP SURVMARK-2 project). Gut. 2021;70(1):114-126. doi:10.1136/gutjnl-2020-320625
[5] Brahmer JR, Drake CG, Wollner I, et al. Phase I study of single-agent anti-programmed death-1 (MDX-1106) in refractory solid tumors: safety, clinical activity, pharmacodynamics, and immunologic correlates. J Clin Oncol. 2010;28(19):3167-3175. doi:10.1200/JCO.2009.26.7609
[6] Spinelli JB, Yoon H, Ringel AE, Jeanfavre S, Clish CB, Haigis MC. Metabolic recycling of ammonia via glutamate dehydrogenase supports breast cancer biomass. Science. 2017;358(6365):941-946. doi:10.1126/science.aam9305
[7] Bell HN, Huber AK, Singhal R, et al. Microenvironmental ammonia enhances T cell exhaustion in colorectal cancer [published online ahead of print, 2022 Dec 12]. Cell Metab. 2022;S1550-4131(22)00504-6. doi:10.1016/j.cmet.2022.11.013
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