本研究由美国华盛顿大学医学院病理与免疫学系（Department of Pathology and Immunology, Washington University School of Medicine）的研究团队完成，共同第一作者为 Chih-Hao Chang 和 Jing Qiu，通讯作者为 Erika L. Pearce。研究成果于2015年9月10日发表在顶级期刊 Cell 上，题为“Metabolic competition in the tumor microenvironment is a driver of cancer progression”。
本研究属于肿瘤免疫学和免疫代谢学的交叉领域。长久以来，T细胞未能有效清除肿瘤的原因主要被归咎于肿瘤抗原的缺失、T细胞的慢性耗竭或其他免疫抑制细胞的压制。然而，研究人员推测，肿瘤微环境中激烈的资源竞争，尤其是对葡萄糖的争夺，可能是一个被忽视的关键机制。许多肿瘤具有高速率的糖酵解（即瓦博格效应，Warburg effect），而效应T细胞功能的充分发挥同样依赖于有氧糖酵解。研究团队前期体外实验发现，肿瘤细胞能够与T细胞竞争葡萄糖，从而直接抑制T细胞产生细胞因子。基于此，他们提出核心假设：在肿瘤微环境中，肿瘤细胞通过高糖酵解消耗葡萄糖，导致浸润T细胞（Tumor-infiltrating lymphocytes, TILs）因葡萄糖受限而代谢与功能受损，进而促使肿瘤进展。本研究的目的是在体内模型中验证这一假设，并探究其分子机制及与现有免疫疗法的关系。
本研究采用了一个成熟的小鼠肉瘤模型系统，包含两种克隆：D42M1-T2（R肿瘤，具有免疫原性，可被T细胞清除而消退）和D42M1-T3（P肿瘤，缺乏主要排斥抗原，进行性生长）。研究流程主要包括五个部分，层层递进。
第一部分：验证肿瘤对T细胞的葡萄糖限制及其代谢功能影响 首先，研究者在体外共培养体系中，将激活的、能识别R肿瘤特异性抗原的C3 T细胞与R或P肿瘤细胞共孵育。结果发现，与单独培养的T细胞相比，与肿瘤细胞共培养的T细胞其干扰素-γ（IFN-γ）的产生受到抑制，且抑制程度与培养基中剩余的葡萄糖含量负相关。补充葡萄糖能显著恢复IFN-γ产量，直接证明了葡萄糖竞争调控T细胞效应功能。 其次，他们比较了两种肿瘤细胞的代谢特征。通过细胞外酸化率（Extracellular acidification rate, ECAR，反映糖酵解水平）测量，发现P肿瘤的糖酵解速率显著高于R肿瘤，但两者体外增殖速度无差异，说明糖酵解增强并非单纯为了支持增殖。 接着，研究转向体内。从荷瘤小鼠中分离出的TILs分析显示，尽管浸润到R和P肿瘤中的T细胞均被激活并表达转录因子T-bet（具备产生IFN-γ的潜能），但P肿瘤中的TILs高表达抑制性受体PD-1，且其mTOR通路活性（通过磷酸化4E-BP1和S6K评估）降低。mTOR是细胞感知营养状态的关键传感器，其活性下降提示P肿瘤中的TILs处于营养受限状态。 进一步的代谢分析显示，P肿瘤中的TILs其基础糖酵解能力和最大糖酵解潜力均低于R肿瘤中的TILs，而分离出的P肿瘤细胞本身的糖酵解水平则更高，呈现出肿瘤与TILs代谢状态的“此消彼长”。同时，P肿瘤组织间隙液中的葡萄糖浓度更低，并且通过注射荧光葡萄糖类似物2-NBDG，证实P肿瘤中的TILs对葡萄糖的摄取量显著减少。这些结果共同表明，P肿瘤的高糖酵解特性耗竭了微环境中的葡萄糖，导致TILs处于葡萄糖限制状态，进而损害了其糖酵解能力和效应功能。
第二部分：证明营养竞争本身足以导致T细胞低反应性，即使肿瘤具有高免疫原性 为了排除R和P肿瘤抗原性不同的干扰，研究者设计了更精确的实验。他们使用了表达卵清蛋白（OVA）的EL4肿瘤模型和识别OVA的OT-I T细胞。通过向小鼠腹腔注射不同数量的肿瘤细胞（模拟高/低肿瘤负荷）后过继转移OT-I T细胞，发现高肿瘤负荷组中，尽管T细胞能够浸润，但其mTOR活性降低，再次刺激后产生的IFN-γ也更少。更重要的是，向高肿瘤负荷小鼠体内注射葡萄糖“冲击”后，T细胞产生的IFN-γ增加。这直接证明，在抗原存在的情况下，肿瘤细胞数量（即代谢竞争压力）和体内葡萄糖浓度能够调控抗原特异性T细胞的功能。
第三部分：证明增强肿瘤糖酵解足以使本应消退的抗原性肿瘤进展 这是本研究的关键验证环节。研究团队通过两种策略增强原本会消退的R肿瘤的糖酵解：1）代谢适应性筛选：将R肿瘤细胞长期置于高糖低血清培养基中培养，筛选出糖酵解增强的亚系（R-1%）。2）遗传学增益：通过逆转录病毒转导，让R肿瘤细胞过表达一系列驱动糖酵解的关键基因，包括转录因子c-Myc、丙酮酸脱氢酶激酶1（PDK1）、葡萄糖转运蛋白GLUT1和己糖激酶II（HK2）。 结果一致显示，这些经过改造的R肿瘤细胞在体外均表现出更高的糖酵解速率（ECAR）。当移植到免疫健全的小鼠体内后，它们中的大部分不再被完全排斥，而是出现了进展或延迟消退，获得了“进展者”表型。重要的是，这些肿瘤细胞仍然表达原来的抗原（突变型spectrin-β2），在免疫缺陷小鼠（Rag-/-）中生长速度也与亲本R肿瘤相似，且能被抗原特异性T细胞在营养充足条件下有效杀伤。这排除了抗原丢失、生长优势或对杀伤抵抗等原因。同时，在这些糖酵解增强的肿瘤中，TILs摄取的葡萄糖更少，在共培养体系中更能抑制T细胞产生IFN-γ（可被外加葡萄糖逆转）。这些实验强有力地证明，肿瘤细胞代谢特征的改变——即糖酵解能力的增强——本身就能通过剥夺T细胞的葡萄糖，削弱抗肿瘤免疫反应，从而驱动癌症进展。
第四部分：揭示检查点阻断疗法通过纠正T细胞的营养限制发挥作用 临床使用的免疫检查点阻断抗体（抗CTLA-4、抗PD-1、抗PD-L1）能诱导P肿瘤消退。研究者发现，用这些抗体治疗荷P肿瘤小鼠后，肿瘤微环境中的葡萄糖浓度升高，恢复到与R肿瘤相似的水平。同时，TILs的糖酵解能力、mTOR通路活性和IFN-γ产生能力均得到恢复。通过绘制TILs的耗氧率（OCR，反映氧化磷酸化）与ECAR关系图，他们发现抗CTLA-4和抗PD-1治疗同时提升了TILs的糖酵解和氧化磷酸化，全面增强了其代谢适应性；而抗PD-L1治疗主要提升糖酵解。这表明，检查点阻断疗法的作用机制之一，是纠正了肿瘤施加的代谢限制，恢复T细胞的代谢健康与功能。研究还提到，这种葡萄糖可用性的增加，可能源于免疫介导的肿瘤细胞杀伤减少了整体葡萄糖消耗，同时也可能增强了T细胞竞争葡萄糖的能力。
第五部分：意外发现PD-L1直接调控肿瘤代谢 这是本研究一个重要的创新发现。除了已知的通过PD-1抑制T细胞的功能，研究者探索了PD-L1对肿瘤细胞自身的影响。在体外，用抗PD-L1抗体处理肿瘤细胞（排除了T细胞的影响），发现P肿瘤细胞的糖酵解速率和葡萄糖摄取显著下降，R肿瘤细胞也有小幅下降。机制研究表明，PD-L1抗体处理导致了PD-L1受体内化，并随之降低了肿瘤细胞内Akt/mTOR通路的活性，以及糖酵解关键酶（如PGK1, TPI, LDHA）的蛋白表达（而非mRNA水平）。通过短发夹RNA（shRNA）敲低PD-L1，也能重现上述代谢抑制表型。相反，在R肿瘤细胞中过表达PD-L1则会增强其糖酵解。此外，在免疫缺陷小鼠中，抗PD-L1治疗也能提高肿瘤组织中的葡萄糖浓度，尽管对肿瘤大小影响甚微，说明这种代谢调节作用是独立于适应性免疫系统的。这些结果表明，肿瘤细胞表面的PD-L1分子具有不依赖于PD-1/PD-L1免疫检查点功能的、自主的“代谢检查点”功能：它通过维持Akt/mTOR信号，促进糖酵解酶的翻译，从而驱动肿瘤细胞的高糖酵解状态。
本研究得出结论：肿瘤微环境中的代谢竞争是驱动癌症进展的一个重要因素。肿瘤细胞通过高糖酵解消耗葡萄糖，使浸润T细胞处于代谢劣势，导致其功能失调，从而逃避免疫清除。 这一机制独立于抗原识别不足或传统的抑制信号。
其科学价值在于： 1. 提出了肿瘤免疫逃逸的新范式：将“代谢竞争”确立为一个基本的、独立的免疫抑制机制，丰富了我们对肿瘤免疫编辑和T细胞功能障碍的理解。 2. 揭示了免疫疗法的新机制：阐明了检查点阻断抗体至少部分通过重塑肿瘤微环境代谢、解救T细胞于“代谢饥饿”状态而发挥作用。 3. 发现了PD-L1的双重功能：首次揭示PD-L1除了作为免疫抑制配体，还是肿瘤细胞内在的代谢调节因子，这为理解PD-L1在肿瘤中的广泛作用提供了全新视角。
应用价值体现在： 1. 预后与疗效预测：肿瘤的糖酵解水平可能作为预测检查点阻断疗法疗效的生物标志物。高糖酵解肿瘤可能对该类疗法更敏感，反之则可能效果不佳。 2. 新型治疗策略：研究提示，未来癌症治疗可以结合抑制肿瘤代谢（如靶向PD-L1-Akt-mTOR-糖酵解轴）和增强T细胞代谢适应性（如提供代谢底物或调节代谢相关信号）的策略，以更有效地对抗肿瘤。将代谢调节剂与免疫疗法联用具有广阔前景。 3. 治疗时机窗口：研究指出，T细胞长期处于代谢限制下可能导致不可逆的功能失调，提示针对肿瘤内已有T细胞的代谢救援可能存在时间窗口，联合清除抑制性细胞和促进新T细胞浸润的策略可能更有效。
研究在讨论部分还提出了许多有启发性的观点，例如：这种代谢竞争模型可能不仅限于葡萄糖，也适用于氨基酸、脂肪酸等其他营养物质；不同类型免疫细胞（如耗糖的效应T细胞/M1巨噬细胞 vs. 依赖脂肪酸氧化的调节性T细胞/M2巨噬细胞）对葡萄糖的依赖差异，可能决定了它们在肿瘤微环境中的分布和功能；T细胞长期代谢限制可能导致不可逆的功能障碍，这涉及GAPDH酶的双功能切换等表观遗传或翻译后调控机制。这些观点为后续研究指明了方向。