关于肿瘤微环境中代谢竞争驱动癌症进展的研究报告
本文旨在向国内同行介绍一篇于2015年发表在顶级学术期刊《细胞》（*Cell*）上的重要研究。该工作由华盛顿大学医学院病理学与免疫学系的 Edward J. Pearce、Erika L. Pearce 及其团队，包括共同第一作者 Chih-Hao Chang、Jing Qiu 和 David O’Sullivan 等共同完成。论文标题为《Metabolic Competition in the Tumor Microenvironment Is a Driver of Cancer Progression》，揭示了肿瘤免疫逃逸的一个崭新且关键的机制：肿瘤细胞通过竞争消耗葡萄糖，代谢性地抑制肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）的功能，从而驱动癌症进展。本研究不仅深入阐释了这一过程，还意外发现了免疫检查点分子PD-L1在直接调控肿瘤细胞自身代谢中的新功能，为癌症免疫治疗提供了全新的理论基础和潜在的联合治疗策略。
长期以来，免疫系统未能有效清除肿瘤的原因被归咎于肿瘤抗原性弱、T细胞功能耗竭（Exhaustion）或被其他抑制性细胞（如调节性T细胞）所抑制。尽管这些机制非常重要，但研究者们推测，在资源高度紧张的肿瘤微环境中，细胞间的代谢竞争可能同样扮演着关键角色。许多肿瘤表现出高度的糖酵解活性（即有氧糖酵解，又称瓦博格效应），而活化的效应T细胞执行杀伤功能也高度依赖有氧糖酵解来提供能量和生物合成前体。因此，一个合理的假设是：高糖酵解的肿瘤细胞可能会“抢夺”微环境中的葡萄糖，导致浸润T细胞处于“葡萄糖饥饿”状态，进而功能受损。
本研究旨在直接验证这一假设：肿瘤细胞与T细胞对葡萄糖的代谢竞争本身，是否足以导致T细胞功能低下（Hyporesponsiveness）并促进癌症进展？同时，研究也试图探究临床上有效的免疫检查点阻断疗法（如抗CTLA-4、PD-1、PD-L1抗体）是否通过改变肿瘤微环境的代谢平衡来恢复T细胞功能。
本研究采用了严谨的多步骤实验设计，结合小鼠肿瘤模型、体外共培养系统、代谢流分析、基因工程改造等多种手段，层层递进地揭示了代谢竞争的核心作用。
程序一：确立肿瘤介导的葡萄糖限制与T细胞功能受损的关联 研究对象： 使用了一对同源的小鼠肉瘤模型：D42M1-T2（R肿瘤，表达突变抗原spectrin-β2，可被T细胞识别并排斥，为“消退型”）和D42M1-T3（P肿瘤，不表达该抗原，进行性生长，为“进展型”）。 方法与实验： 1. 体外共培养： 将活化的抗原特异性T细胞（C3 T细胞）与R或P肿瘤细胞共培养。结果显示，即使R肿瘤提供抗原刺激，与其共培养的T细胞产生的干扰素-γ（IFN-γ）也比单独培养的T细胞少；而与P肿瘤共培养的T细胞产生的IFN-γ最少。向培养基中添加葡萄糖能显著恢复T细胞的IFN-γ产生，直接证明了葡萄糖可用性调控T细胞效应功能。 2. 代谢表征： 通过细胞外酸化率（ECAR，糖酵解指标）和氧消耗率（OCR，氧化磷酸化指标）测量发现，P肿瘤细胞的糖酵解速率显著高于R肿瘤细胞。然而，两种肿瘤细胞的体外增殖速度相似，表明糖酵解水平与增殖率并非直接耦合。 3. 体内分析： 从荷瘤小鼠体内分离TILs和肿瘤细胞。发现P肿瘤内的TILs虽然处于活化状态，但表现为PD-1高表达（耗竭标志），且其mTOR通路活性（通过磷酸化的4E-BP1和S6K评估）、糖酵解能力（ECAR低）以及IFN-γ产生能力均显著低于R肿瘤内的TILs。 4. 微环境葡萄糖监测： 直接测量肿瘤组织间液的葡萄糖浓度，发现P肿瘤微环境中的葡萄糖水平显著低于R肿瘤。 5. 体内葡萄糖摄取成像： 向荷瘤小鼠静脉注射荧光葡萄糖类似物2-NBDG，发现P肿瘤内的TILs摄取的葡萄糖显著少于R肿瘤内的TILs。
程序二：证明营养竞争本身（而非抗原差异）可导致T细胞功能低下 为了排除R和P肿瘤抗原性不同这一混淆因素，研究设计了更精确的实验。 研究对象： EL4-OVA肿瘤细胞（表达卵清蛋白抗原）和OVA特异性的OT-I T细胞。 方法与实验： 向小鼠腹腔内注射不同数量的EL4-OVA细胞（制造高低不同的肿瘤负荷），然后过继转移OT-I T细胞。结果发现，即使在高肿瘤负荷组（抗原更多），OT-I T细胞的mTOR活性和IFN-γ产生能力也低于低肿瘤负荷组。向高肿瘤负荷小鼠腹腔内注射葡萄糖，能瞬时提高T细胞的IFN-γ产量。这表明，单纯增加肿瘤细胞数量（加剧营养竞争）就足以抑制抗原特异性T细胞功能。
程序三：操控肿瘤代谢以逆转免疫结局——将“消退型”肿瘤转化为“进展型” 这是本研究的关键环节，旨在直接证明增强肿瘤糖酵解足以驱动免疫逃逸。 研究方法： 对原本能被免疫系统清除的R肿瘤进行代谢重编程。 1. 代谢选择： 将R肿瘤细胞长期培养于高葡萄糖/低血清培养基中，筛选出糖酵解增强的亚系（R-1%）。 2. 基因工程： 用逆转录病毒载体转导R肿瘤细胞，使其过表达一系列驱动糖酵解的关键基因：转录因子c-Myc、丙酮酸脱氢酶激酶1（PDK1）、葡萄糖转运蛋白GLUT1、己糖激酶II（HK2）。同时设立空载体对照（R-EV Ctrl）。 结果： * 代谢改造后的R-1%肿瘤以及过表达糖酵解基因的R肿瘤（R-cMyc, R-PDK1, R-GLUT1, R-HK2）在体外均表现出显著升高的ECAR。 * 将这些改造后的肿瘤移植到免疫健全小鼠体内后，它们不再像亲本R肿瘤那样被完全排斥，而是出现了进行性生长或延迟消退。重要的是，这些肿瘤仍完全表达原有的突变抗原spectrin-β2，并能被抗原特异性T细胞在体外有效杀伤，证明其“进展”表型并非由于抗原丢失。 * 在免疫缺陷（Rag-/-）小鼠中，所有改造肿瘤的生长速度与对照无显著差异，说明其进展优势依赖于对适应性免疫系统的抑制，而非自身增殖加快。 * 体内2-NBDG实验显示，在糖酵解增强的肿瘤中，TILs摄取的葡萄糖更少。体外共培养实验也证实，这些肿瘤更能抑制OT-I T细胞的IFN-γ产生，且此抑制可被添加葡萄糖逆转。 结论： 即使肿瘤具有强免疫原性，只要其糖酵解能力足够强，就能通过消耗葡萄糖在代谢竞争中胜出，导致TILs功能受损，从而逃避免疫清除。这直接证明了代谢竞争是驱动癌症进展的一个独立机制。
程序四：揭示检查点阻断疗法通过恢复代谢平衡发挥疗效 研究对象： 携带P肿瘤的小鼠。 方法与实验： 在肿瘤移植后第3、6、9天，用抗CTLA-4、抗PD-1或抗PD-L1抗体（或同型对照）治疗小鼠，在第12天进行分析。 结果： 所有检查点阻断治疗均能诱导P肿瘤消退。 1. 恢复微环境葡萄糖： 治疗组小鼠肿瘤间液的葡萄糖浓度显著上升，恢复到与R肿瘤相当的水平。 2. 恢复TILs代谢与功能： 治疗后，P肿瘤内TILs的糖酵解能力（ECAR）、mTOR通路活性和IFN-γ产生能力均得到显著恢复，甚至超过R肿瘤TILs的水平。抗CTLA-4和抗PD-1抗体同时提升了TILs的糖酵解和氧化磷酸化，而抗PD-L1抗体主要提升糖酵解。 3. 逻辑关系： 检查点阻断疗法通过激活T细胞，可能增强了其对葡萄糖的竞争能力，同时（如后续发现所示）也可能直接影响了肿瘤细胞的代谢。其最终结果是纠正了肿瘤微环境中的葡萄糖资源失衡，使TILs重获代谢能力和效应功能。
程序五：意外发现PD-L1直接调控肿瘤细胞糖酵解 这是一个突破性的发现，揭示了PD-L1不依赖于PD-1的全新功能。 方法与实验： 1. 抗体处理： 在体外用抗PD-L1抗体处理P肿瘤细胞（已用IFN-γ诱导PD-L1高表达），发现其ECAR和葡萄糖摄取显著下降。抗MHC-I抗体无此效果，说明特异性。 2. 信号通路分析： Western Blot显示，抗PD-L1抗体处理降低了肿瘤细胞中Akt和mTOR靶蛋白（S6K, 4E-BP1）的磷酸化，以及多种糖酵解酶（如PGK1、LDHA）的蛋白水平，但不影响其mRNA水平，提示PD-L1通过调控翻译影响糖酵解。 3. 机制初探： 共聚焦显微镜观察发现，抗PD-L1抗体会促使PD-L1发生内化。当PD-L1从细胞表面移除后，其下游的Akt/mTOR信号被削弱。 4. 基因敲降验证： 用shRNA敲低P肿瘤细胞的PD-L1表达，得到了与抗体处理一致的结果：ECAR降低，Akt/mTOR活性和糖酵解酶表达下降。 5. 过表达验证： 在R肿瘤中过表达PD-L1，能使其ECAR升高。 6. 免疫非依赖效应： 将表达PD-L1的肿瘤移植到Rag-/-小鼠（无T细胞）中，并用抗PD-L1抗体治疗。结果显示，治疗组肿瘤间液的葡萄糖浓度高于对照组，证明PD-L1对肿瘤糖酵解的调控作用不依赖于适应性免疫系统。
本研究得出了几个核心结论： 1. 肿瘤微环境中，肿瘤细胞与T细胞对葡萄糖的激烈代谢竞争是导致T细胞功能低下和癌症进展的一个根本性驱动因素。 即使肿瘤具有强免疫原性，高糖酵解的肿瘤也能通过“饿死”TILs来逃避免疫攻击。 2. 临床上成功的免疫检查点阻断疗法（抗CTLA-4、PD-1、PD-L1）的作用机制之一，是纠正了肿瘤微环境中的代谢失衡。 它们通过（直接或间接地）提高微环境葡萄糖可用性，恢复TILs的糖酵解能力和效应功能。 3. PD-L1除了作为PD-1的配体传递抑制信号外，还具有直接促进肿瘤细胞糖酵解的“非经典”功能。 PD-L1通过维持Akt/mTOR信号通路的活性，上调糖酵解相关酶的翻译，从而增强肿瘤细胞的葡萄糖消耗能力。这为抗PD-L1疗法的疗效提供了全新的解释维度。
科学价值与应用价值： * 理论创新： 首次系统论证了“代谢竞争”作为独立于抗原识别和抑制性受体信号之外的癌症免疫逃逸核心机制，开辟了肿瘤免疫代谢研究的新方向。 * 机制深化： 对检查点抑制剂的作用机制提供了代谢层面的深刻见解，将其疗效与细胞能量代谢直接联系起来。 * 靶点发现： 揭示了PD-L1在肿瘤细胞代谢中的新功能，使其成为一个“双功能”靶点（同时调控免疫信号和细胞代谢），为开发更精准的联合疗法提供了思路。 * 诊疗启示： 提示肿瘤的糖酵解水平或可作为预测检查点抑制剂疗效的生物标志物。针对糖酵解增强的肿瘤，联合使用代谢抑制剂（如靶向Akt/mTOR、糖酵解关键酶）与免疫检查点阻断剂，可能产生协同抗肿瘤效果。研究也提示，单纯补充葡萄糖可能不足以逆转已建立的T细胞功能障碍，需要结合免疫激活策略。
研究还提及了一些延伸观点和未来方向，例如：代谢竞争可能不限于葡萄糖，还包括氨基酸、脂肪酸等其他营养物质；不同类型的免疫细胞（如M1型巨噬细胞、效应T细胞 vs. M2型巨噬细胞、调节性T细胞）对葡萄糖的依赖性不同，这可能决定了它们在肿瘤微环境中的分布和功能；长时间的代谢限制可能导致T细胞功能不可逆地低下。这些观点为后续研究提供了丰富的线索。
这项由 Chang 等人完成的工作是肿瘤免疫代谢领域的里程碑式研究。它深刻改变了人们对肿瘤免疫逃逸机制的理解，将代谢微环境提升到与遗传变异、免疫编辑同等重要的地位，并为改善癌症免疫治疗策略指明了新的途径。