原文题目：Microenvironmental ammonia enhances T cell exhaustion in colorectal cancer
通讯作者：Yatrik M. Shah
隶属单位：密歇根大学分子与综合生理学系
DOI：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.11.013
细胞代谢改变是癌症的标志，会影响TME、免疫景观和治疗反应。此外，肿瘤中的代谢重编程会产生过量的副产物，这些副产物必须通过TME中的异细胞代谢交换来抵消。在这里，使用CRC（TripleMut）的高度转移模型，研究人员发现与更良性，进展较少的CRC小鼠模型（DoubleMut或SingleMut小鼠）相比，T细胞适应性具有强大的下调。这些数据与其他结直肠癌模型一致，显示出强大的免疫抑制TME。
通过整合转录组、CyTOF和无偏代谢组学数据的多组学分析，研究人员确定了氨代谢与T细胞功能之间的新联系。HNF4α及其参与氨清除的下游靶基因的活性在CRC中受到强烈抑制，导致细胞外氨的积聚。与小鼠模型数据一致，结直肠癌患者HNF4a信号传导和氨清除基因表达下调，血清氨升高。高细胞外氨降低了T细胞的抗肿瘤功能，同时不改变其他免疫细胞或癌细胞的活力或功能。然而，使用几种正交方法，中和氨水平以T细胞依赖性方式降低肿瘤生长，而增加肿瘤氨导致SingleMut小鼠T细胞功能减弱和进展增加。
营养有限的微环境会改变T细胞的增殖和功能。随着肿瘤的生长，氧气和废物清除不足。缺氧抑制CD4 T细胞功能，促进调节性T细胞活性，乳酸的积累抑制细胞毒性T淋巴细胞。先前的工作表明，氨在肝细胞癌中蓄积尿素循环失调是肿瘤的共同特征，氨是支持癌症生长的中心氮源。
然而，关于癌症中氨代谢改变如何影响基质细胞的研究很少。研究人员的数据表明，尿素循环酶的失调与细胞外氨的增加有关，这是导致CRC中免疫抑制TME的主要机制。TME是免疫抑制和对ICB反应的重要驱动因素。
图1结肠癌本土转移小鼠模型对免疫治疗耐药
最近的研究表明，这是一种更复杂的代谢相互作用，其中营养物质根据摄取机制选择性地分配给免疫细胞和癌细胞。然而，TME中谷氨酰胺、脂质和氨基酸的减少限制了T细胞的生长、活力和/或功能。研究人员来自氨处理的T细胞的代谢组学数据涉及蛋氨酸代谢的改变。T细胞增殖迅速，对蛋氨酸有很高的代谢需求。最近的研究表明，蛋氨酸是驱动T细胞分化和增殖所必需的。蛋氨酸可以转化为S-腺苷甲硫氨酸，这是一种常见的甲基供体。肿瘤破坏蛋氨酸代谢并减少CD8 T细胞中的S-腺苷蛋氨酸，从而导致T细胞免疫力受损。研究人员的工作强调了将蛋氨酸转化为半胱氨酸的转硫途径的要求，半胱氨酸是谷胱甘肽合成的限制底物。T细胞中的放射性和重同位素蛋氨酸示踪分析表明，氨降低了转硫通量并降低了谷胱甘肽水平，这与ROS增加有关。目前，在转硫途径中改变的具体酶促步骤尚不清楚。同位素示踪实验显示m+5标记的S-腺苷-蛋氨酸的离子丰度降低，表明MAT2a活性降低。然而，MAT2A下游的几种转硫代谢中间体并没有挽救氨表型。研究人员观察到TCA和糖酵解中间体和氧气消耗量减少，这表明氨可能会改变几种途径。
未来的工作将评估转硫途径和其他代谢计划的关键步骤，以精确定义氨如何影响T细胞适应性。此外，由于尿素循环的显着下调，癌细胞和T细胞清除氨的能力不如正常结肠细胞或肝细胞。由转硫通量减少介导的T细胞脆弱性，加上T细胞清除外源性氨的能力有限，可能导致特定的代谢脆弱性。
图 2 TripleMut 小鼠中的 T 细胞减少
尽管一些研究表明，T细胞浸润的免疫评分可以预测存活率，但最初的CRC方法对ICB非常令人失望。大多数CRC是微卫星稳定的，但15%的癌症具有高MSI。然而，在MSI高CRC中，PD-1抑制剂后的客观反应为40%，而非MSI高肿瘤为0%。大多数CRC的MSI不高，免疫浸润存在显着的异质性。研究人员的工作表明，氨的清除会减少肿瘤生长并增强免疫治疗难治性CRC模型中的ICB反应。患者样本中的高OTC表达与氨清除率和对免疫治疗的反应改善有关。这些数据，包括在T细胞缺陷模型中所做的工作，指向氨/ T细胞轴，这是CRC生长和免疫治疗反应的核心。重新激活氨清除可能是一种可行的治疗选择，以增加非MSI高CRC对ICB的反应。然而，需要更多的功能研究来了解TME中的氨如何改变其他基质细胞的数量和/或功能。
与其他癌症相比，氨代谢和积累在结肠癌中是独一无二的，这是由于氨的两个主要来源：细胞自主代谢和微生物群。许多共生微生物，包括梭菌、肠杆菌和芽孢杆菌属，主要通过氨基酸脱氨和脲酶水解尿素产生大量氨。宿主细胞通过在GLS催化下将L-谷氨酰胺转化为L-谷氨酸产生氨。
图3晚期结直肠癌氨代谢失调
氨通过尿素循环在很大程度上被消除。由于血管形成不良和谷氨酰胺代谢增加，氨在肿瘤中迅速积聚。此外，已知Kras突变会驱动谷氨酰胺代谢，这与具有最高水平肿瘤氨的TripleMut小鼠和研究人员最先进和免疫抑制模型一致。有趣的是，Kras突变本身的激活并不会导致氨水平增加或HNF4α信号失调。研究人员假设导致高氨的代谢变化是由Apc，Kras和p53突变Tp53的组合效应引起的，这将在未来使用适当的小鼠模型进行测试。
图4氨增加耗尽的T细胞并降低T细胞活力
该研究表明，氨解毒产生的肿瘤保护是T细胞依赖性的。体内时间研究表明，最初，氨水平升高导致T细胞耗竭，PD-1和CTLA-4在T细胞上的表达增加。随着肿瘤的进展，氨水平会积聚，导致T细胞数量减少。在体外也可以看到同样的现象，因为T细胞衰竭的标志物在细胞活力变化的早期和之前上调。体外氨水平较高会有效减少T细胞生长并导致细胞死亡。也就是说，更多的研究将有助于告知氨积累对体内T细胞数量和功能的时间过程。由于疾病的快速进展和小鼠之间的变异性，这在晚期TripleMut小鼠中难以评估。通过鸟氨酸处理解毒氨增加了同系CRC模型中的T细胞数量。在研究人员认为更具渐进性和免疫抑制性的TripleMut模型中，研究人员发现单独的鸟氨酸可以减少T细胞耗竭标志物并增加T细胞数量。在这种先进的模型中，单独的PD-L1疗法在很大程度上是无效的。鸟氨酸和PD-L1联合治疗导致总T细胞和T细胞活化显着增加，并进一步降低T细胞耗竭标志物。鸟氨酸和抗PD-L1免疫疗法的联合治疗也将生存率提高了72%，表明重新激活T细胞的双管齐下方法是有效的。用CD8耗竭抗体处理的无胸腺裸鼠和野生型小鼠受鸟氨酸的保护较少，表明鸟氨酸治疗在某种程度上依赖于T细胞。低水平的氨特征与抗PD-L1治疗后生存率的提高有关。此外，高OTC表达与MSI高结直肠癌患者ICB治疗后的生存率提高有关。
图7解毒氨重新激活结直肠癌的免疫治疗
总之，这表明氨解毒可能是传统癌症化疗和免疫疗法的佐剂。要确定最有效的治疗方法，还需要做更多的工作。苯丁酸甘油酯和鸟氨酸可有效减少继发于肝性脑病的氨。然而，鸟氨酸的剂量和路线需要优化。此外，在最近的一篇论文中，细菌被改造成肿瘤的家园并产生大量的精氨酸;潜在的， 类似的细菌工程方法可用于将鸟氨酸直接靶向肿瘤或其他高氨区域。
总之，该研究结果揭示了CRC中尿素循环的失调，这导致细胞外氨积累。氨优先抑制T细胞生长并诱导衰竭和免疫抑制标志物。因此，氨解毒是一种潜在的新型治疗选择，特别是对于转移性和非MSI高CRC。
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