《细胞》子刊：T细胞深入癌症组织内部，不得不靠脂肪酸代谢产能
肿瘤一入深似海，各项技能都归零。
上面那句话，是答答给T细胞的抗癌表现做的深刻总结。
近日，来自美国Wistar研究所的Hildegund Ertl教授和华人科学家Zhang Ying博士共同揭示，肿瘤内T细胞的处境不仅悲惨，简直是堪称悲壮。
Hildegund Ertl教授
我们都知道肿瘤是个变态而邪恶的组织，里面低糖、低氧，正常的细胞基本不能适应这种变态的环境。需要消耗大量能量才能发挥杀敌技能的T细胞就更难适应这种环境了。
Zhang博士发现，接受激发免疫系统的药物治疗之后，会有大量的被激活的杀伤性T细胞进入肿瘤，但是大约30天之后，肿瘤内的杀伤性T细胞数量降低了90%左右。大量的T细胞都去哪儿了？默默离开了？还是英勇战死了？研究人员不清楚。
但是研究人员发现，剩下那部分还在坚守的杀伤性T细胞，为了保存最后的「革命」的火种，竟改变了自己的「饮食」习惯，从靠葡萄糖供能的代谢策略，转向脂肪酸代谢供能，在夹缝里求生存。让人惊喜的是，当Zhang博士通过药物进一步激活T细胞脂肪酸代谢路径时，它们被唤醒了。这一重要研究于近日刊登在著名期刊《癌细胞》上[1]。
Zhang Ying博士
实际上，去年12月份Dana-Farber癌症研究所[2]和宾夕法尼亚大学医学院团队[3]，背靠背发在《科学》杂志上的两篇关于T细胞耗竭的重要研究已经指出，由于持续的抗原刺激，进入肿瘤里面的T细胞被重编程了，通俗的说，就是被「洗脑」了，不再有杀伤肿瘤的能力了。
他们的发现在一定程度上解释了免疫检查点抑制剂（PD-1和PD-L1抗体）治疗癌症响应率低，CAR-T治不了实体瘤的问题。但是他们没有回答这种T细胞的重编程是不是可以破除呢？或者我们再给它们编回去。如果可以，我们就可以全面解放T细胞，大幅提升免疫治疗的效果。
从Zhang博士的研究来看，这种重编程似乎是可以解开的。
Ertl教授表示，「关于T细胞耗竭的机制研究甚少，鉴于T细胞对癌症的免疫治疗至关重要，我们的结果会对提高免疫治疗的效率有重要意义！未来我们将会进行相应的测试，先对T细胞进行脂肪酸代谢预处理再转移到患者体内，以探究这样是否会延长T细胞的存活时间、改善其功能，最终使患者受益。」[4，5]
科学家们已经知道，肿瘤微环境中，T细胞的存在通常与更好的临床结果和患者对药物更好的响应率有关。
不过，T细胞想要发挥功能的前提，是要有足够的能量。通常情况下，葡萄糖会是细胞的首选能量来源，因为它会以极高的效率产生能量，以供细胞发挥各种功能。
然而，在肿瘤微环境中，由于血管较少，所以氧气、葡萄糖的供应明显不足。此外，肿瘤细胞疯狂地生长更加剧了低氧、低糖的状况。在这种情况下，T细胞想通过葡萄糖代谢来获取能量就困难重重了。
那么，面对此种困境，T细胞有没有别的招儿呢？这也是困扰Ertl教授团队的问题。
为了弄清楚这个问题，Ertl教授带领团队，首先给正常小鼠和携带B16-BrafV600E基因突变的黑色素瘤小鼠，接种两种腺病毒疫苗混合物，以刺激小鼠产生黑色素瘤相关抗原特异性（MAA）的T细胞和病毒抗原特异性（E7）的T细胞。接种疫苗，一方面可以减缓肿瘤生长的速度，另一方面，也可以观察肿瘤中T细胞的状况。
在接种后30天，携带基因突变的小鼠，其肿瘤中能够产生杀敌武器如颗粒酶、穿孔素、γ干扰素的杀伤性T细胞数量减少了90%左右，但是抑制T细胞功能的因子如PD-1、LAG3的表达却增加了。即T细胞确实是「疲惫」了，产生了T细胞耗竭现象。
T细胞进入肿瘤后，在PPARa激动剂的刺激下，靠燃烧脂肪酸（FA）恢复战斗力
不过，庆幸的是，T细胞虽然是「疲惫」了，但是它所针对抗原的特异性并没有发生改变！研究人员推测，除了持续的抗原刺激外，一定还有其他因素驱动T细胞耗竭。
接下来的研究结果证实了他们的猜想：研究人员发现，肿瘤中的T细胞，不论是MAA-T细胞还是E7-T细胞，它们的低氧诱导因子1α（HIF1α）的表达都增加了。进一步的研究发现，HIF1α促进了LAG3的表达，而对PD-1的表达没有影响，同时，HIF1α还破坏了T细胞释放杀敌武器的功能。
也就是说，低氧环境下，是HIF1α的高表达导致了T细胞抗肿瘤功能的丧失！
更为有意思的是，研究人员发现，当把HIF1α基因敲除后，T细胞中除了与糖代谢发生改变外，促进脂肪酸代谢及摄取有关的关键转录因子，PPARα，表达也增加了。这让研究人员不禁怀疑，难道肿瘤中的T细胞，产能从高效的葡萄糖代谢转向相对低效的脂肪酸代谢了吗？
T细胞进入肿瘤后，在PPARa激动剂的刺激下，脂肪酸（FA）代谢能力增强
于是，研究人员采用液相色谱法，对基因突变小鼠肿瘤中的T细胞代谢情况情况进行了分析。他们发现，在接种后30天，肿瘤中的T细胞，糖代谢产物减少了，而脂肪酸代谢产物却增加了。
为了进一步验证这一结果，研究人员还对基因突变黑色素瘤小鼠不同时期肿瘤样本、黑色素瘤患者来源的异种移植物不同时期肿瘤样本、及转移性黑色素瘤患者肿瘤及血清样本，进行了脂肪酸水平的检测。结果均显示，在肿瘤进展期间，游离脂肪酸的水平持续升高。也就是说，T细胞依靠脂肪酸代谢供能确实是可行的。
综合这两项结果，我们可以简单的理解，面对肿瘤中低氧、低糖的恶劣环境，T细胞缺乏了葡萄糖供应，采取糖代谢功能行不通，被逼无奈，只好利用环境中越来越多的脂肪酸，通过脂肪酸氧化供能，以苟活于世。
（左）在肿瘤低糖低氧的环境中，脂肪酸代谢弱，T细胞（紫色）的杀伤能力低
（右）在肿瘤低糖低氧的环境中，脂肪酸代谢强，T细胞（紫色）的杀伤能力强
那么增强脂肪酸氧化，能不能提高肿瘤微环境中T细胞的抗肿瘤功能呢？于是，研究人员每天给实验组小鼠喂食增加脂肪酸氧化的PPARa激动剂，对照组喂食稀释液；连续小鼠3周后再将小鼠脾脏取出，转移到黑色素瘤小鼠中，发现PPARa激动剂处理不但增强了T细胞的脂肪酸代谢，而且增强了T细胞抗肿瘤的功能。此外，研究人员还证实，PPARa激动剂是特异性针对肿瘤微环境中的T细胞的，而对其他的T细胞不起作用。
最后，研究人员又比较了预先采用PPARa激动剂处理T细胞同时联合PD-1抑制剂治疗黑色素瘤小鼠的效果，发现二者联合使用，延缓了肿瘤的进展，并且阻止了约50%的小鼠肿瘤的生长。
这项研究让我们看到，面对肿瘤微环境中的恶劣条件，T细胞能够另辟蹊径，借助脂肪酸氧化产能，求得生存。倘若我们给它提供帮助，增加它的脂肪酸氧化产能，同时把肿瘤细胞在它身上施的魔咒PD-1解除，那么，T细胞将再次扛起杀死肿瘤细胞的武器，冲锋陷阵！这不管是对于提高免疫检查点抑制剂的治疗效果、还是改善CAR-T治疗实体瘤方面都是具有重要意义的[6]！
参考资料：
[1] Zhang Y, Kurupati R, Liu L, et al. Enhancing CD8+ T Cell Fatty Acid Catabolism within a Metabolically Challenging Tumor Microenvironment Increases the Efficacy of Melanoma Immunotherapy[J]. Cancer Cell, 2017, 32(3): 377-391. e9.
[2]Sen DR， Kaminski J， Barnitz RA， Kurachi M， Gerdemann U， et al. 2016. The epigenetic landscape of T cell exhaustion. Science 354：1165-9
[3]Pauken KE， Sammons MA， Odorizzi PM， Manne S， Godec J， et al. 2016. Epigenetic stability of exhausted T cells limits durability of reinvigoration by PD-1 blockade. Science 354：1160-5
[4]https://www.wistar.org/news-and-media/press-releases/modulating-t-cell-metabolism-uncovers-new-technology-enhancing-immun-0
[5] Bradley CA. 2017. Immunotherapy: CD8+ T cells [mdash] burn fat, get fit. Nat Rev Cancer advance online publication
[6] Bailis W, Shyer J A, Chiorazzi M, et al. No Oxygen? No Glucose? No Problem: Fatty Acid Catabolism Enhances Effector CD8+ TILs[J]. Cancer Cell, 2017, 32(3): 280-281.
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