以彼之道，还施彼身：模仿肿瘤代谢增强NK细胞毒性
免疫逃逸是肿瘤的特征之一，实体肿瘤中的免疫抑制性肿瘤微环境(TME)会损伤免疫细胞的功能。其中，TME引发的NK功能损伤在肿瘤发展过程中起着至关重要作用。NK细胞功能损伤会促进肿瘤的发生和发展，其损伤程度与许多癌症患者的预后密切相关。然而，TME中NK细胞功能损伤的基本机制仍然不清楚。
2021年4月13日，加拿大麦克马斯特大学的Ali A. Ashkar团队在Cell Metabolism上发表了题为《Metabolic flexibility determines human NK cell functional fate in the tumor microenvironment》的文章，发现TME中NK细胞代谢重编程能力差，不能产生抵抗氧化应激的代谢物，导致其细胞毒性受损；抑制氧化应激能逆转NK的细胞毒性；STAT3信号激活的增殖NK（exNK）代谢重编程能力强，在抑制性肿瘤微环境中具有更强的细胞毒性。该研究发现了TME中NK功能损伤的新机制，并为NK细胞治疗实体瘤提供了新的证据和思路。
患者肿瘤中的NK细胞功能失调
伴随糖代谢受损
和外周血NK（pbNK）相比，卵巢癌TME中分离的肿瘤NK细胞（taNK）对人卵巢癌细胞的细胞毒性变弱。免疫缺陷荷瘤小鼠的NK细胞移植实验也表明taNK抑制肿瘤细胞定殖和生长的能力变弱。
NK的抗肿瘤功能活化有赖于葡萄糖代谢。与pbNK细胞相比，taNK糖酵解水平显著降低，细胞表面的葡萄糖转运体Glut1表达水平显著降低，氧化磷酸化水平、ATP合成水平下降，线粒体数目下降。
以上结果表明，肿瘤患者taNK的细胞毒性功能损伤可能和葡萄糖代谢损伤有关。
患者TME直接损伤pbNK葡萄糖代谢
并抑制其细胞毒性
TME是否直接参与NK活性抑制呢？作者用恶性肿瘤病人的腹水（ascTME）模拟肿瘤微环境，发现ascTME培养的pbNK的基础糖酵解、糖酵解能力和糖酵解储备显著降低，其代谢和线粒体功能也发生损伤。
CD98通过调控Glut1和CD71转铁蛋白受体的转录来促进NK生长。ascTME刺激后，pbNK细胞表面的CD98、Glut1和CD71表达显著降低，细胞体积减小。同时，ascTME显著抑制了pbNK对癌细胞的毒性和抗肿瘤细胞因子IFN-γ的表达。小鼠荷瘤实验显示，与taNK细胞相似，ascTME培养的pbNK丧失了抑制肿瘤细胞定殖和生长的能力。pbNK的细胞毒性、糖酵解和氧化磷酸化的抑制在aseTME培养后12h发生并可以持续3天以上。
NK细胞功能受损是由代谢损伤引起的吗？作者发现，和ascTME一样，ATP合成酶抑制剂寡霉素也能抑制pbNK的细胞毒性和脱颗粒作用。
以上结果提示：人TME通过直接损害NK细胞代谢抑制其抗肿瘤活性。
NK细胞可以被重编程以强化其功能
STAT3信号可以驱动肿瘤细胞Warburg代谢重编程，增强肿瘤细胞对TME的适应性。作者之前报道，通过IL-21激活STAT3信号通路可以促进NK增殖、抗衰老和细胞毒性。那么STAT3激活的增殖NK（STAT3-exNK）是否能和肿瘤细胞一样通过代谢重编程来适应TME呢？
作者比较了exNK细胞和pbNK细胞的代谢状态，发现exNK细胞的糖酵解基底和最高水平明显升高。pbNK细胞比exNK细胞更依赖于氧化磷酸化。exNK的CD98、CD71、Glut1表达的水平明显高于pbNK细胞。
为了进一步研究exNK代谢的分子机制，作者分析了exNK和pbNK的代谢谱，发现差异蛋白主要富集在代谢相关通路。与pbNK相比，exNK的代谢变化类似于肿瘤细胞：exNK中参与肿瘤代谢和生物合成的通路的蛋白显著上调，而参与氧化代谢通路的蛋白则显著下调。
以上结果表明，STAT3-exNK细胞模仿了肿瘤细胞代谢特征，尤其是Warburg效应。
TME中的exNK的细胞毒性是否得到了增强？用ascTME分别培养pbNK或exNK，和正常培养基相比，pbNK细胞颗粒度和细胞毒性降低，exNK的颗粒度和细胞毒性增强。虽然ascTME培养降低了exNK和pbNK的IFN-γ表达水平，但是pbNK下调更显著。值得注意的是，人血浆或正常培养基培养的exNK细胞的细胞毒性和颗粒度相似，这表明exNK的细胞毒性增强是由ascTME引起的。
动物实验进一步验证了该结果。和正常培养基相比，ascTME处理的exNK降低肿瘤负荷的效果更显著。此外，作者发现，和正常培养基相比，exNK的细胞毒性在ascTME处理后的5天内持续增加。这提示长时间暴露于恶性TME时exNK功能得到强化。
exNK细胞为何能在TME维持杀伤能力呢？作者发现，与pbNK不同，在ascTME中exNK仍能维持营养摄取能力、线粒体质量、糖酵解速率、氧化代谢速率、细胞大小。
激活Nrf2抗氧化通路可以恢复
TME抑制的NK细胞代谢和抗肿瘤活性
为了阐明TME抑制NK细胞活性的分子机制，作者分析了ascTME或正常培养的pbNK细胞和exNK细胞的蛋白谱。
ascTME培养的pbNK细胞与exNK细胞的蛋白表达谱几乎是相反的。ascTME中的pbNK高表达的蛋白参与脂质过氧化、氧化损伤、肥大症以及衰老和自噬途径，参与DNA修复和损伤反应通路的蛋白质表达下调。以上结果表明，pbNK中氧化应激介导的DNA损伤的修复能力受损。而exNK中参与脂质过氧化和氧化损伤途径中的蛋白表达下调，参与DNA修复的蛋白的表达上调。这些结果表明，exNK细胞能抵抗TME诱发氧化应激。
那么，靶向氧化应激是否可以恢复TME中的NK细胞代谢和功能呢？Nrf2转录因子是抗氧化的核心转录因子。Nrf2激动剂RTA-408在体外ascTME中可显著恢复pbNK的肿瘤杀伤能力、糖酵解、氧化磷酸化，对正常培养基中的pbNK却没用影响。荷瘤小鼠实验进一步证明了RTA-408和pbNK的联合使用比RTA-408或pbNK单独使用有更好的疗效。
这些结果表明，氧化应激损伤是TME诱导NK细胞葡萄糖代谢、线粒体功能以及细胞毒性损伤的关键机制。
代谢灵活性使exNK细胞在营养
缺乏TME中增强抗肿瘤活性
TME是如何抑制pbNK杀伤能力却增强exNK杀伤能力的？
肿瘤细胞通过一碳和叶酸循环上调丝氨酸代谢合成内源性底物，进而将底物合成谷胱甘肽来抵抗氧化应激以适应TME。与pbNK细胞相比，exNK细胞中参与丝氨酸合成、一碳和叶酸代谢以及核苷酸合成途径的蛋白质表达增加。ascTME培养的exNK细胞中参与谷胱甘肽抗氧化的酶显著上调。这表明exNK细胞通过模仿了肿瘤细胞的代谢重编程来抵抗氧化应激。
为了直接评估exNK与pbNK的代谢可塑性，作者测量了pbNK和exNK通过氧化葡萄糖、谷氨酰胺或脂肪酸的满足自身能量需求的能力，发现pbNK表现出对葡萄糖和脂肪酸氧化的依赖性，但exNK却不依赖任何一种底物。此外，底物适应性评估结果表明，pbNK不能使用任何一种单一底物来补偿其他代谢途径，相反，exNK表现出使用任何一种底物来满足其全部能量需求的适应性。体外ascTME培养实验进一步表明，多种代谢抑制剂均不影响exNK的细胞毒性。以上结果表明，exNK细胞有良好的代谢灵活性和适应性，使其能够适应免疫抑制性TME。
作者进一步设计实验模拟肿瘤低营养微环境对exNK的影响。作者分别用无葡萄糖培养基或无谷氨酰胺的培养基培养exNK细胞，并在24h和5天后评估细胞毒性。与ascTME中观察到现象相似，在前24h内exNK细胞的细胞毒性没有显着变化，但是在5天后，营养缺乏的培养基中exNK的细胞毒性显著增强。与它们在TME中的代谢适应性相一致。在营养缺乏的培养基中，exNK细胞在5天后维持了相当水平的糖酵解和氧化磷酸化水平。
这些结果表明，NK细胞对代谢物的灵活利用能够使其完全适应TME以维持细胞增殖和功能，长期暴露于代谢应激TME会进一步强化代谢适应性NK细胞的细胞毒性。
总 结
NK细胞具有广谱的肿瘤细胞杀伤作用，在肿瘤细胞治疗领域备受关注。本文发现pbNK进入肿瘤微环境后，由于代谢重编程能力差不能抵抗TME引起的氧化应激，最终发生功能损伤；通过激活氧化应激能恢复NK的细胞毒性；STAT3激活的增殖NK能像肿瘤细胞一样进行代谢重编程，灵活使用代谢物来抵抗氧化应激，反而在TME中增强细胞毒性。本文揭示TME中NK细胞功能受抑制的代谢性机制，为NK细胞治疗提供了新思路。
文/阿司匹林 SHK
责编/Jane
原文链接：
https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(21)00130-3